TI 高精度实验室 - 输入和输出限制 1

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次视频将介绍运算放大器的 Input & Output Limitations 即输入和输出限制 我们将会探讨运放的 Common Mode Input Voltage 共模输入电压 Input & Output Voltage Swing Limitations 输入和输出电压摆幅限制 通过本节视频 你将学会判定电路误差是由哪些限制引起的 首先我们来看一个简单的 none inverted buffer circuit 也就是同相缓冲电路 或者叫电压跟随器 同相输入端输入的是一个三角波信号 幅度从 -1.5 伏到 +1.5伏 正常情况下输出端将会得到一个一模一样的信号 但实际上由于某些原因 这个运放的输出不可能超过 1V 这种非线性就叫做 Clipped 削波 那么是什么引起了这种削波现象呢 稍后我们会回答这个问题 现在首先来明确一些术语的定义 Common Mode Voltage 共模电压是指放大器两个输入端的平均电压 对于运放来说 它的两个输入端电平几乎是一样的 两者只相差一个很小的 Offset 失调电压值 所以你在每一个输入端上 都能看到这个共模信号 共模输入电压范围也叫 Input Voltage Swing 输入电压摆幅 它定义了放大器正常线性工作所需的 输入共模电压范围 共模输入电压范围通常是 相对于正电源和负电源而定义的 如果超过这个共模输入范围 输出信号会变成非线性 Output Voltage Swing 也叫输出电压摆幅 则是指输出信号线性工作时的输出电压范围 输出摆幅同样也是相对于供电电源而定义的 如果超过运放的输出摆幅参数指标 输出信号将会失真或者出现非线性 现在我们看一看在数据手册中 共模电压和输入输出电压摆幅是如何定义的 共模电压范围的最小值和最大值 是相对于供电电源定义的 如图所示 负电源 V- 为 0V 则共模输入电压的最小值为 0V-0.1V 即 -0.1V 正电源 V+ 是 5V 则 5V-3.5V 得到共模输入电压的最大值为 1.5V 因此只要共模输入电压小于 -0.1V 或者大于 1.5V 输出信号都会变成非线性 输出摆幅如表中所示 同样它也是相对于供电电源而定义的 最小输出电压是 V- 加上 0.2V 因为这里负电源 V- 是 0V 所以最小输出电压为 0.2V 而最大输出电压是 V+ 减去 0.2V 即 4.8V 任何低于 0.2V 或者是高于 4.8V 的输出都会导致非线性 是什么导致了放大器的这样一个输入输出的限制呢 左图显示的是一个典型的 CMOS 输入极 随着共模输入信号接近正电源或者负电源 输入晶体管会相应地进入饱和或者是截止状态 这些都是非线性工作的状态 意味着此时放大器不能线性放大输入信号 这就是引起共模输入电压限制的原因 大家需要记住的是 一些 CMOS 放大器的共模限制可能很接近 甚至超过供电电源轨 输出极的电压摆幅限制 则是由于内部晶体管的饱和和压降引起的 CMOS 放大器的输出电压限制比较小 因为 CMOS 晶体管的饱和电压比较低 我们通常所说的 Rail to Rail Amplifier 轨对轨放大器指的是共模输入电压范围 可以达到供电电源的两个轨 并且输出电压接近供电电源轨的放大器 下面给出两个电路的例子 两者有不同的共模输入考虑 左图显示的是 Inverting Configuration 反相放大电路 注意到同相输入端接地 或者是 0V 由运放的基本特性 我们可以得到 反相输入端的电压也约等于 0V 因此这个电路的共模输入电压即为 0V 并且不论输入信号如何变化 共模输入电压都是保持在 0V 不变的 这种输入配置可以很好的避免共模限制 右图显示的是 None Inverting Configuration 同相放大电路 输入信号接到同相输入端 这样一来共模信号就会受输入信号钳制 换句话说 如果输入信号变化 共模信号也会随之变化 使用这种配置时 一定要注意避免超过运放的共模电压限制 下面我们来考虑一个实际的电路问题 这是一个运算放大器搭乘的 Buffer 缓冲器 正常情况下面我们会看到输出是 0V 或者是一个很小的输出误差信号 这个信号是和输入失调电压 Vos 相关的 但是如果我们做 DC 仿真 会发现输出端的电压值接近 200mV 然而最大的失调电压值才是 120uV 这是怎么回事呢 我们首先来看看输入共模范围 根据之前介绍的方法 同样的我们可以计算得到共模范围 是从 -0.1V 到 +1.5V 由于输入端接地共模输入信号是 0V 处于允许的共模范围内 所以不是共模输入电平的问题 在看看输出电压范围 同样的我们可以计算得到输出范围是从 0.2V 到 4.8V 由于我们的输入信号是 0V 运放的输出端也将跟随到 0V 但是这已经低于输出电压范围的最小值 因此这个时候输出电压只能达到接近 0.2V 的 一个最小值即这里的 171mV 接下来我们来看另一个例子 注意到这个电路与之前的电路相比 有不同的供电电源 这里是正负 2.5 伏的供电 我们先考虑输出电压范围 根据数据手册和给定的电源电压 我们可以得到输出范围是 -2.3V 到 +2.3V 由于运放的输出端会跟随输入端到 0V 处于允许的输出范围内 所以问题不是出在这里 那么输入呢与之前一样 共模输入电压是 0V 但是这里要求的共模电压范围是从 -2.6V 到 -1V 可见输入的共模电压零伏已经超出了这个范围 这就是我们看到输出电压变成几百 mV 而不是 uV 的原因 最后我们回到开始的那个 OPA735 输出波形被削平在 1V 的问题 先考虑一下输出电压范围 根据数据手册和给定的供电电源电压 得到输出范围是从 -2.48V 到 +2.48V 运放输出端将会跟随输入端 得到一个一模一样的波形 其峰峰值是 -1.5V 到 +1.5V 可以看到这个范围是在允许的输出电压范围之内的 所以没有问题 再来看看输入 同样的我们计算得出共模电压范围是从 -2.6V 到 +1V 因为这是一个同相缓冲电路 共模电压会跟随同相输入端的信号 即从 -1.5V 到 +1.5V 由于允许的最大共模电压为 +1V 很明显输入峰峰值为 -1.5V 到 +1.5V的三角波 已经超出了这个范围 因此晶体管的输出极就会达到饱和状态 从而导致了输出信号被钳位在 1V 以上就是本次视频的内容 谢谢观看 请准备好下面的一个小测试 看看你是否已掌握本次的内容