1. 前言

運算放大器（常簡稱為“運放”）是廣泛應用的、具有超高放大倍數(shù)的電路單元?？梢杂煞至⒌钠骷M成，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業(yè)當中。

運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。

運放的輸出電位通常只能在高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值之間變化。經(jīng)過特殊設計的運放可以允許輸出電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化。這種運放成為軌到軌（rail-to-rail）輸出運算放大器。

在放大器采集信號應用中，許多信號鏈設計人員沒有意識到，調(diào)整放大器的信號電平、增益和偏移可以讓他們使用原來的運算放大器選擇。

有幾種類型的軌到軌運算放大器 (opamp)。軌到軌輸入 (RRI) 運算放大器可以在任何輸入下工作，從正電源軌 (V CC ) 一直到地或負電源軌。軌到軌輸出 (RRO) 運算放大器可以輸出接近正電源軌和負電源軌的電壓。軌到軌輸入和輸出 (RRIO) 運算放大器具有這兩種特性。其他非軌到軌輸入和輸出運算放大器的輸入和輸出范圍有限；但是，它們沒有輸入交叉失真，并且通常具有更低的輸出阻抗和更低的成本。

2.放大器拓撲結構

在這篇文章中，我將討論四種流行的放大器拓撲：

· 反相放大器。

· 同相放大器。

· 差分放大器。

· 單位增益緩沖器。

反相放大器有利于最小化總諧波失真。圖 1 顯示了基本原理圖。

圖 1：反相放大器

由于輸入共模范圍是設計人員設置的固定電壓，因此不需要 RRI。如果輸出需要跨越整個 V CC范圍，RRO 會很有幫助。

同相放大器保持輸入信號極性。圖 2 顯示了基本原理圖。

圖 2：同相放大器

所需的輸入共模范圍將小于輸出范圍。差分放大器的縮小輸入范圍意味著我們可能不需要 RRI。如果輸出需要跨越整個 V CC范圍，RRO 仍然有用。

對于運算放大器的整個 V OUT范圍內(nèi)的操作，輸出電壓低 (V OL ) 和輸出電壓高 (V OH ) 將在有效輸入共模范圍內(nèi)具有反相引腳電壓。對于V中的反相端子電壓OL為V OL + R ?F /（R ?F + R G ^）*（V REF - V OL）。對于V中的反相端子電壓OH為V OH + R ?F /（R ?F + R G ^）*（V REF - V OH）。

差分放大器非常適合浮動或平衡輸入源。圖 3 顯示了基本原理圖。

圖 3：差分放大器

差分增益、同相輸入范圍和 V REF參考電壓設置了必要的輸入共模范圍。輸入共模電壓為 (V REF + V IN+ * G)/(G+1)，其中 G 是電路的差分增益，V REF是同相分壓器的端接電壓，V IN+是同相差分輸入. 較低的增益會降低所需的輸入共模范圍。

我們應該使用上一段中的公式測試最小和最大 V IN+以驗證輸入共模范圍沒有被超出。如果輸出需要跨越整個 V CC范圍，RRO 會很有幫助。

單位增益緩沖器可防止信號負載并提供低輸出阻抗。圖 4 顯示了基本原理圖。

圖 4：單位增益緩沖區(qū)

對于這種配置，輸出將忠實地跟蹤運算放大器輸入和輸出電壓范圍指定的電壓的輸入。

輸出擺幅受輸出范圍的限制，該范圍在數(shù)據(jù)表規(guī)格中對 V OL和 V OH 進行了規(guī)定。試圖超出輸入范圍將導致輸出信號削波或可能有一個輸出階躍至最大 V OH。圖 5 顯示了 LMV358，它可以剪輯輸出（藍色曲線）或輸出階躍（紅色曲線）。

圖 5：使用單位增益電路的RRO LMV358 V OUT與 V IN 的關系，其中 V CC = 3.3V

使用 RRO 器件實現(xiàn)全范圍輸出需要對輸入信號進行電阻衰減以滿足輸入共模范圍，然后放大相同的因子。這種方法的問題是你需要四個電阻而不是一個。這種方法還降低了輸入阻抗，這可能會破壞添加單位增益緩沖器的目的。

因此，最好讓前級提供一個在運放輸入和輸出范圍內(nèi)的輸出信號。

調(diào)整信號電平、增益或偏移后，我們可能會發(fā)現(xiàn)運算放大器畢竟是兼容的。