运放中“轨至轨”运行的真正含义

　　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。