对轨对轨运算放大器的理解
运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题
几种常用运算放大器举例
外观 管脚图 它的特点如下： · 内部频率补偿 · 直流电压增益高(约 100dB) · 单位增益频带宽(约 1MHz) · 电源电压范围宽：单电源(3—30V) 双电源(±1.5 一±15V) · 低功耗电流，适合于电池供电 · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽，包括接地 · 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 · 输出电压摆幅大(0 至 Vcc-1.5V) 常用性能指标： 性能参数 输入失调电压 输入失调电压温度系数 输入失调电流 输入失调电流温度系数 大信号电压开环增益 共模抑制比 最高输出电压 25℃ Vcc=5V， RL=2K Vcc=30V， RL=10K 最低输出电压 Vcc=5V， RL=10K 输出源电流 基本范围 <9V 7uA/℃ 5~50nA 10uA/℃ 25~100V/mV 70dB 3.5V 28V 5~20mV 40mA
Hz
Hz
[键入文字]
使用参数： 电源电压 输入电压 差分电压输入 6V GND~Vs ± 0.6V
性能图表：
开环增益与频率
输出摆幅与频率
共模抑制比与频率
轨对轨输出
从上图可以看到，当 Vin=1.8V 时，输入 与输出几乎相当
典型电路： (1)、反向放大器
由虚短，虚开易知， Vo
RF Vi R1
管脚图 OP17 特点 · 低输入噪声 · 高共模抑制比 (100dB) · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 高增益带宽 · 高电压转换速率 · 建立时间短 常用性能参数： 性能参数 输入失调电压 电流偏置 输入失调电流 输入电阻 大信号电压增益 输出电压摆幅 共模抑制比 电压转换速率 增益带宽 闭环带宽 建立时间(到 0.1%) 输入电容 输入电压噪声密度 输入电流噪声密度 基本范围 0.2~0.5mV 15pA 3~10pA 1012Ω 240V/mV ± 13V 100dB 60V/us 30MHz 11MHz 0.6us 3pF 20 nV /
轨至轨运放的介绍
轨至轨(rail to rail)概念(2009-11-25 09:14:28)转载▼分类：电子标签：杂谈从输入来说, 其共模输入电压范围可以从负电源到正电源电压; 从输出来看, 其输出电压范围可以从负电源到正电源电压。
Rail to Rail翻译成汉语即“轨到轨”，指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。
传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压范围一般都达不到电源电压，以运放为例，电源为+/-15V的运放，为确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够的共模抑制比），输入范围一般不要超过+/-10V，常温下也不要超过+/-12V；输出范围，负载RL>10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻(600ohm)时只能保证+/-10V。
这对器件的应用带来很多不便。
Rail-to-Rail的器件，一般都是低压器件（+/-5V 或 single +5V），输入输出电压都能达到电源（输入甚至可以超过）。
其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP互补输入结构。
rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。
“轨到轨（rail-to-rail）”的特性即：它的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和与翻转。
例如，在＋5V单电源供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近0V，或高至接近5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了放大器的动态范围。
这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。
TLC2274（轨到轨）与OP07（非轨到轨）的输入输出范围如表2（厂家给出）及图2（实际测定）。
可以看到，TLC2274的动态范围可达4.8V，而OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅3V左右。
轨至轨(rail to rail) 运放有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求，称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。
对轨对轨运算放大器的理解
轨对轨（rail-to-rail）1.所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值。
2.不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail。
3.在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。
4.轨至轨输入，有的称之为满电源摆幅(R-R)性能，可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减，实现高精密度应用，有轨至轨运放和轨至轨比较器。
5.rail-to-rail，只是一个概念，其实就是正负电源(±V)供电运算放大器。
☆运算放大器供电方式：1.±V；2.＋V和GND。
这两种供电方式，各有各的特点。
1.±V：用三极管的截止失真来说，这种方式输入，不要加入直流输入成分，它的“静态工作点”电压是0V，所以动态范围非常大，接近电源。
优点：失真小，态范围非常大（振幅接近V）；缺点：双电源输入，电路变得复杂。
2.＋V和GND：还拿三极管的截止失真来说，这种方式输入，如果在输入端不加入直流成分（1/2V），那么在输入信号电压很大时，信号的负半周期，就是出现截止失真。
（设计方案：在输入端加入直流成分（稍稍大于1/2V），它的“静态工作点”电压是1/2V左右，这样所以动态范围也可以非常大，接近电源1/2V左右。
）优点：单电源输入，电路简单；缺点：不接入直流成分，失真大，如果作为高音质声音放大，会引起左右分离度降低等情况。
综上情况，在高性能运算放大器电路中，采用rail-to-rail设计方案比较好。
轨至轨输入/输出功能扩大了动态范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。
例如，CMOS型轨至轨输入/输出放大器就比较适用于具有以下特性的单电源应用：输入和输出轨上的摆幅很小、极低的静态电流以及极低的输入偏置电流。
轨对轨运放的含义
随着单电源运放的广泛的运用,运放的轨至轨输入rail to rail input成为一个时髦的词;现在大部分低电压单电源供电的运放都是轨至轨输入的;TI在轨至轨输入的运放产品方面具有十分领先的优势;本文介绍运放的rail to rail输入的实现以及TI在实现运放的rail to rail 输入方面的领先技术;先说两句废话,解释一下轨至轨,这里的轨指的是电源轨,运放的两个电源供电电压如+/-15V;这两个电源电压就像两条平行的距离为30V的“轨道”一样限制了运放的输入输出信号;运放的轨至轨输入是指运放的输入端信号电压能够达到电源的两个轨,并保持不失真,如上例输入信号电压可达到+/-15V;运放的输入电压范围可在运放的datasheet中找到;就是共模电压范围VcmCommon-Mode Voltage Range;如下表即为OPA365的输入电压范围,可见它是典型的轨至轨输入运放;一般的BJT和JFET是非轨至轨输入的运放;如下表所示为OPA827共模输入电压范围为V-+3V至V+-3V,典型的非轨至轨运放;单电源我们暂且称之为“单电源”运放的输入级通常有三种结构,第一种是采用PMOS 做差分输入级;这样的运入输入级电压可以低于负电源轨甚至,但达不到正电源轨,如OPA336;下表是datasheet中标出的OPA336输入电压范围;它的输入级原理框图如下图,典型的PMOS差分输入级;既然PMOS差分输入级输入电压不能达到正电源轨,那NMOS呢,对头,NMOS差分输入级的输入电压可以达到正电源轨,但是达不到负电源轨,一般会在负电源轨的之上;此时有人想到了,把PMOS和NMOS差分输入级并联起来;在接近电源负电压轨时使PMOS 差分输入级工作,在接近电源正电源轨时使NMOS差分输入级工作;这样不就可以实现运放的轨至轨输入了嘛;太巧妙了;的确早先的轨至轨输入运放就是这样设计的;并且现在也在大量使用这种技术;如下图是OPA703的输入级,就是典型的PMOS与NMOS相并联的运放输入级;当输入共模电压在Vss-<Vcm<Vss+-2V时PMOS处于工作状态,NMOS处于关闭状态;当输入共模电压在Vss--2V<Vcm<Vss++时NMOS处于工作状态,PMOS处于关闭状态;下表是OPA703的datasheet中给出的共模电压输入范围V-至V++.Bipolar输入级运入同样也有这样的结构,如下图是典型PNP与NPN型三级管并联形成的差分输入级;。
轨到轨电路结构
轨到轨电路结构一、引言轨到轨电路（rail-to-rail circuit）是一种能够输出信号接近电源轨的电路结构。
在传统的运算放大器中，输出信号范围通常受限于电源电压范围。
而轨到轨电路的出现解决了这一限制，使得输出信号能够接近电源轨，提高了电路的灵活性和适用范围。
二、轨到轨输入电路轨到轨输入电路是轨到轨电路的基础。
它能够接收来自外部的信号，并将其传递给后续的电路部分。
轨到轨输入电路通常由差分放大器和反馈网络组成。
差分放大器能够将输入信号的差异放大，并通过反馈网络将放大后的信号返回给输入端，从而实现对输入信号的放大和处理。
三、轨到轨输出电路轨到轨输出电路是轨到轨电路的另一个重要组成部分。
它能够将经过放大和处理的信号输出给外部设备。
轨到轨输出电路的设计目标是使输出信号能够接近电源轨，即输出信号能够达到电源的最大和最小电压范围。
为了实现这一目标，轨到轨输出电路通常采用了特殊的放大器结构和电源极限设计。
四、轨到轨放大器轨到轨放大器是轨到轨电路的核心部分。
它能够接收输入信号，并将其放大到较大的幅度，然后输出给后续电路。
轨到轨放大器的设计要求能够在整个电源电压范围内提供稳定的放大和处理功能。
为了实现这一目标，轨到轨放大器通常采用了双差分输入结构、共模反馈电路和输出级的极限设计等技术手段。
五、轨到轨运算放大器轨到轨运算放大器是一种特殊的轨到轨放大器。
它能够接收多个输入信号，并将它们进行运算和处理，然后输出结果。
轨到轨运算放大器的设计要求能够在整个电源电压范围内提供稳定的运算和处理功能。
为了实现这一目标，轨到轨运算放大器通常采用了高增益差分输入结构、自动校准电路和输出级的极限设计等技术手段。
六、应用领域轨到轨电路由于其能够输出信号接近电源轨的特性，被广泛应用于许多领域。
例如，音频处理、传感器信号放大、模拟信号处理、数据采集和医疗设备等领域都需要使用轨到轨电路。
轨到轨电路的出现使得这些领域的电路设计更加灵活和高效。
轨到轨运放的电流反馈环
轨到轨运放的电流反馈环
轨到轨运放是一种特殊类型的运算放大器，它的特点是能够输
出电压接近于供电电压的上下限，也就是能够输出接近于正电源和
负电源电压的信号。
而电流反馈环是指在运放的反馈电路中使用电
流作为反馈量来控制放大器的增益和性能。
在轨到轨运放的电流反馈环中，电流反馈被用来控制运放的输
出电流，从而影响输出电压。
这种设计可以使运放的输出电压范围
更广，同时保持良好的线性和稳定性。
通过电流反馈环，可以调节
运放的增益和带宽，以满足不同的应用需求。
从电路设计角度来看，电流反馈环可以提高运放的输出能力和
稳定性，同时减小非线性失真。
这对于需要处理大信号和高精度要
求的应用非常重要。
此外，电流反馈环还可以降低运放的输入阻抗，提高共模抑制比，改善电路的噪声性能。
从应用角度来看，轨到轨运放的电流反馈环广泛应用于需要较
大输出动态范围和精确放大的领域，如传感器接口、数据采集、电
源管理等。
在这些应用中，电流反馈环能够保证信号的准确放大，
并且能够适应不同的输入和输出要求。
总的来说，轨到轨运放的电流反馈环是一种重要的电路设计技术，它能够提高运放的性能和适用范围，满足复杂应用的需求。
通过合理的电流反馈环设计，可以实现更稳定、更精确的信号放大和处理，推动电子技术的发展和应用。
运放中“轨至轨”运行真正含义是什么？
运放中“轨至轨”运行真正含义是什么？ 有关单电源运放的一个热门讨论话题是：它们是否能够做轨至轨的输入或输出运行。
单电源运放的供应商都声称自己的放大器有轨至轨输入能力，但芯片设计者必须做出某些折衷，才能实现这类性能。
图1 这个运放的组合输入级采用PMOS和NMOS差分对，因此输入电压范围可以从正电压轨直到负电压轨。
一款常见单电源放大器的输入结构是有并联的PMOS和NMOS差分输入级，它结合了这些级的优点，实现了真正的轨至轨输入运行（图1）。
当VIN+接近于负电压轨时，PMOS晶体管完全导通，而NMOS晶体管完全截止。
当输入接近于正电压轨时，使用NMOS晶体管，而PMOS晶体管则截止。
虽然图1中小功率精密运放OPA344的输入级可以轨至轨输入工作，但电路设计者必须解决性能的折衷问题。
按图1中的设计结构，在放大器共模输入区间内，偏移电压会有很宽的变化范围。
在接近地的区域，输入级PMOS 偏移误差成份占主要地位。
在接近正电源轨的区域，则主要是NMOS偏移误差。
图2 由于放大器的共模电压会从地改变到正电源，因此CMOS放大器的输入级在低于3V正电源轨约2V时，从其PMOS输入对完全改变到其NMOS输入对。
查看输入级性能的最佳方式是看偏移电压与共模输入电压之间的关系（图2）。
图2中的4.6 MHz轨至轨输入/输出CMOS放大器LMP7701在大约1.4V 时表现出了偏移电压误差的交叉特性。
在较低的共模输入电压时，PMOS晶体管运行，而NMOS晶体管关断。
在大约1.1V时，NMOS晶体管开始导通。
随着共模输入电压的升高，电路的NMOS部分最终接手工作，而PMOS 晶体管完全关断。
从1.1V至2V区间，PMOS和NMOS晶体管都在工作。
要尽量减少这种输入级的交叉效应，有一些电路设计技巧；具体可见轨至轨输入放大器应用解决方案。
单电源放大器制造商还称自己拥有输出端有轨至轨摆幅的器件。
实际上对于这些类型放大器，输出端不可能完全摆到轨上，只是能够接近而已。
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轨对轨（rail-to-rail）
1.所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值。
2.不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail。
3.在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。
4.轨至轨输入，有的称之为满电源摆幅(R-R)性能，可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减，实现高精密度应用，有轨至轨运放和轨至轨比较器。
5.rail-to-rail，只是一个概念，其实就是正负电源(±V)供电运算放大器。
☆运算放大器供电方式：1.±V；2.＋V和GND。
这两种供电方式，各有各的特点。
1.±V：用三极管的截止失真来说，这种方式输入，不要加入直流输入成分，它的“静态工作点”电压是0V，所以动态范围非常大，接近电源。
优点：失真小，态范围非常大（振幅接近V）；缺点：双电源输入，电路变得复杂。
2.＋V和GND：还拿三极管的截止失真来说，这种方式输入，
如果在输入端不加入直流成分（1/2V），那么在输入信号电压很大时，信号的负半周期，就是出现截止失真。
（设计方案：在输入端加入直流成分（稍稍大于1/2V），它的“静态工作点”电压是1/2V左右，这样所以动态范围也可以非常大，接近电源1/2V左右。
）优点：单电源输入，电路简单；缺点：不接入直流成分，失真大，如果作为高音质声音放大，会引起左右分离度降低等情况。
综上情况，在高性能运算放大器电路中，采用rail-to-rail设计方案比较好。
轨至轨输入/输出功能扩大了动态范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。
例如，CMOS型轨至轨输入/输出放大器就比较适用于具有以下特性的单电源应用：输入和输出轨上的摆幅很小、极低的静态电流以及极低的输入偏置电流。
但是，其噪声通常比双极性射极跟随器放大器要高得多。
轨至轨运放在整个共模范围内，输入级的跨导基本保持恒定，这对低电压应用是至关重要的。
因为当电源电压逐步下降时，晶体管的阈值电压并没有减小，但是运放的共模输入范围越来越小，这可能也正使设计出符合低压低功耗要求，输入动态幅度达到全摆幅的运放成为一种必需。
注意点就是电源设计，双电源输入，电路变得复杂，电源±V输入注意去耦平衡。