你是否超越了運(yùn)放的輸入共模區(qū)間? - 全文

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　　為自己的電路挑選運(yùn)放要通過(guò)一個(gè)選擇過(guò)程，其中要考慮到最關(guān)鍵的應(yīng)用參數(shù)。審查的參數(shù)可能包括：電源電壓、增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率，以及輸入噪聲電壓。另外還必須考慮輸入共模區(qū)間，這對(duì)所有運(yùn)放電路都是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

　　終生與運(yùn)放打交道的工程師們很可能都遇到過(guò)這類情況，運(yùn)放出現(xiàn)了未曾預(yù)料的性能。運(yùn)放的好處是它們的輸出通常會(huì)說(shuō)明真相。很多情況下，如果有什么異常，都會(huì)明顯地體現(xiàn)在其輸出端。輸出級(jí)的極限可能造成不良的輸出波形。也許輸出端的過(guò)多電容會(huì)造成振蕩，或者輸出級(jí)的電壓擺幅小于電源電壓軌，因此在達(dá)到滿軌電壓以前就出現(xiàn)削峰。

　　運(yùn)放的輸出端也會(huì)出現(xiàn)與輸出級(jí)毫無(wú)關(guān)系的奇怪現(xiàn)象。不良的輸出信號(hào)可能來(lái)自于器件輸入端的某些異常。運(yùn)放最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是超出了器件的輸入共模區(qū)間。不過(guò)，到底什么是輸入的共模區(qū)間，超出這一區(qū)間的影響是什么?

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　　輸入共模電壓VICM是一位工程師在考慮運(yùn)放輸入時(shí)的首要規(guī)格之一，但它可能帶來(lái)一些混淆。VICM描述了一個(gè)電壓電平，它是反相和非反相輸入端的平均電壓(圖1)。通常用下式表示：

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　　認(rèn)識(shí)VICM還有一種方式，即它是非反相和反相輸入端VIN+與VIN-的公共的電壓電平。在大多數(shù)應(yīng)用中，VIN+非常接近于VIN-，因?yàn)殚]環(huán)負(fù)反饋會(huì)使一個(gè)輸入端密切跟蹤另一個(gè)輸入端，使VIN+與VIN-之間的壓差接近于零。很多共模電路都是這種情況，包括電壓跟隨器，以及反相和非反相配置。這些情況下，通常會(huì)假設(shè)VIN+=VIN-=VICM，因?yàn)檫@些電壓幾乎是相同的。

　　描述運(yùn)放輸入的另一個(gè)參數(shù)項(xiàng)是輸入共模區(qū)間VICMR，或更準(zhǔn)確地說(shuō)，是輸入共模電壓區(qū)間。這個(gè)參數(shù)在數(shù)據(jù)表中很常見(jiàn)，它是電路設(shè)計(jì)者最應(yīng)關(guān)注的參數(shù)。VICMR定義了運(yùn)放能正常工作的一個(gè)共模輸入電壓區(qū)間，并描述了輸入電壓與兩個(gè)電壓軌靠近的程度。

　　對(duì)VICMR的另一種認(rèn)識(shí)方式是，它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所確定的一個(gè)區(qū)間，如下式所示：

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　　其中，VICMRMIN是相對(duì)VCC-電壓軌的極限值，VICMRMAX是相對(duì)于VCC+電壓軌的極限值(圖2)。

　　當(dāng)運(yùn)放超出VICMR時(shí)，器件就可能不能做正常的線性運(yùn)行。因此，必須了解輸入信號(hào)的整個(gè)范圍區(qū)間，確保運(yùn)放不超出VICMR。

　　另一個(gè)混淆點(diǎn)是：VICM與VICMR是非標(biāo)準(zhǔn)的縮寫(xiě)，各家IC供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表中經(jīng)常使用不同的術(shù)語(yǔ)，如VCM、VIC和VCMR。因此，必須清楚自己正在查看的規(guī)格，它不是一個(gè)特定的輸入電壓，而是一個(gè)輸入電壓的范圍。

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　　不同運(yùn)放的VICMR變化

　　運(yùn)放的設(shè)計(jì)規(guī)格與所使用的工藝技術(shù)決定了器件的輸入級(jí)。例如，一只CMOS運(yùn)放的輸入級(jí)不同于雙極運(yùn)放的輸入級(jí)，也不同于JFET運(yùn)放。了解這些運(yùn)放間存在的差異非常重要。

　　表1是德州儀器公司幾款運(yùn)放及其VICMR。最大電源區(qū)間欄中描述了雙電源和單電源的極限。表中可以明顯看到，不同運(yùn)放的輸入?yún)^(qū)間VICMR各不相同。根據(jù)器件的類型，VICMR可能進(jìn)入或超出電源軌。因此，永遠(yuǎn)不能假定某個(gè)運(yùn)放可以接受某個(gè)輸入信號(hào)區(qū)間，除非驗(yàn)證了數(shù)據(jù)表中的規(guī)格。

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　　有一個(gè)寬輸入范圍的特例值得一提，這就是軌至軌輸入運(yùn)放。盡管這個(gè)名稱暗示該運(yùn)放的輸入可以跨越整個(gè)電源軌的區(qū)間，但并非像人們可能假設(shè)的那樣，所有軌至軌輸入器件都可以覆蓋整個(gè)電源范圍。很多軌至軌輸入的運(yùn)放(如TI的OPA333)確實(shí)能跨越整個(gè)電源區(qū)間，而其它一些則達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明有誤導(dǎo)性。同樣，關(guān)鍵在于查看數(shù)據(jù)表指定的輸入?yún)^(qū)間規(guī)格。

　　違反VICMR的例子

　　違反VICMR的情況一般出現(xiàn)在使用3.3V、5V或其它低電壓應(yīng)用的單電源運(yùn)放中。在這些應(yīng)用中，輸入信號(hào)區(qū)間一般都是狹窄的，必須知道輸入信號(hào)和VICMR，才能確保運(yùn)放的正常運(yùn)行。一只違反了VICMR的運(yùn)放可能出現(xiàn)未預(yù)料的輸出性能，如信號(hào)在低于預(yù)期電壓電平處削峰，輸出信號(hào)電壓漂移，相位反轉(zhuǎn)，或輸出過(guò)早地到達(dá)某個(gè)電源電壓軌。

　　為更好地理解違反VICMR的效果，下面給出一些實(shí)例。用兩只具有不同VICMR規(guī)格的運(yùn)放可演示這些效果。這些器件都有軌至軌的輸出，排除了輸出級(jí)造成的限制。一個(gè)單電源的電壓跟隨器電路用于兩只器件的評(píng)估(圖3)。所有測(cè)試均在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，室溫約為25°C。

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　　第一個(gè)例子使用了一只VCC為10V的TLC2272運(yùn)放。數(shù)據(jù)表顯示，它在25°C和5V電源電壓下的典型VICMR區(qū)間為-0.3V~+4.2V。注意輸入極限接近于正電源軌，比VCC低0.8V。得到的近VCC輸入極限大約為9.2V。

測(cè)試電路時(shí)，在其輸入端加一個(gè)直流偏移為VCC電壓一半(或5V)的300Hz正弦波。調(diào) 節(jié)交流幅度，直到看到VOUT有一個(gè)變化。當(dāng)施加10V峰峰值輸入時(shí)，VOUT顯示一個(gè)接近正電源軌的削峰信號(hào)，而不是接近負(fù)電源軌。這個(gè)接近正電源軌的不良性能就是預(yù)計(jì)輸入超過(guò)9.2V時(shí)的結(jié)果。對(duì)于0~9.2V之間的VIN，VOUT顯示和預(yù)期一樣的正確波形(圖4)。

　　第二個(gè)例子使用一只TL971軌至軌輸出的電壓跟隨器電路，但結(jié)果卻不同。此時(shí)，運(yùn)放采用一個(gè)單5V電源。從數(shù)據(jù)表規(guī)格可知，有保證的VICMR區(qū)間跨越了1.15V~ 3.85V范圍，或中心在VCC/2的大約2.7V峰峰值。輸入端加的是一個(gè)直流偏移為2.5V的1kHz正弦波。將VIN的幅度從200mV峰峰值調(diào)向更高電平，直到看到VOUT的變化。

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　　VIN中心在2.5V時(shí)，VIN增加到2.7V峰峰值，VOUT都有預(yù)期的線性特性。當(dāng)VIN增加到約3.5V峰峰值時(shí)，中心在2.5V，VOUT繼續(xù)跟隨VIN，表現(xiàn)出正確的運(yùn)放特性。注意這個(gè)線性特性好于數(shù)據(jù)表對(duì)VICMR的限制，但仍然超出了保證的極限值。當(dāng)VIN增加到略高于3.52V峰峰值時(shí)，VOUT開(kāi)始在接近正電源5V軌和負(fù)電源0V軌時(shí)表現(xiàn)出非線性特性(圖5)。VIN進(jìn)一步增加到4.2V峰峰值，明顯超出了VICMR。當(dāng)輸入峰值超過(guò)了近正電源軌的極限時(shí)，VOUT的信號(hào)輸出超出電源軌，跳到正電源軌5V以上，并停留在這里，直到VIN回到可接受范圍內(nèi)(圖6)。當(dāng)輸入跌到接近負(fù)電源軌的極限以下時(shí)，VOUT的信號(hào)表現(xiàn)出一個(gè)相位反轉(zhuǎn)，跳至中軌2.5V，并以一個(gè)偏移跟隨VIN，直到VIN增加到VICMR內(nèi)的一個(gè)可接受電壓值。

　　這些例子表明，不同的非線性特性可以源于不同類型超出VICMR的運(yùn)放。雖然第二種情況中產(chǎn)生了相位反轉(zhuǎn)，但注意這個(gè)相位反轉(zhuǎn)并不出現(xiàn)在所有違反VICMR的運(yùn)放中，它與運(yùn)放有關(guān)。

　　這些例子用一個(gè)交流信號(hào)，評(píng)估運(yùn)放電路的VICMR。另一種有用的測(cè)試是給圖3中的電路輸入端加一個(gè)直流電壓源。當(dāng)改變直流輸入時(shí)，輸出電平會(huì)以一種類似的方式變化，而不是總在改變。根據(jù)電路的類型，在運(yùn)放的早期評(píng)估中，可以采用交流分析或直流分析，也可兩者兼用。

　　解決VICMR問(wèn)題

　　如果在設(shè)計(jì)過(guò)程的晚期才發(fā)現(xiàn)運(yùn)放無(wú)法滿足VICMR要求，該怎么辦?也許該器件的其它參數(shù)非常適合于你的應(yīng)用，難以改換器件。這時(shí)可能要考慮下列一個(gè)或多個(gè)選項(xiàng)。首先，如果輸入波幅過(guò)大，則要用一個(gè)電阻分壓器，將信號(hào)保持在正確的VICMR區(qū)間內(nèi)。其次，如果輸入信號(hào)的偏移有問(wèn)題，則嘗試使用一個(gè)輸入偏置或直流偏移電路，使輸入信號(hào)置于運(yùn)放VICMR區(qū)間規(guī)格內(nèi)。第三，可以嘗試換用一種能滿足所有其它要求的軌至軌輸入運(yùn)放。

　　在選擇一款運(yùn)放時(shí)，記住輸入共模電壓區(qū)間是最需懂得的重要規(guī)格。如果器件的輸入無(wú)法接受輸入信號(hào)的電平或范圍，則輸出端就會(huì)遇到麻煩。先處理好這個(gè)重要細(xì)節(jié)，則以后當(dāng)電路正確工作時(shí)，你就會(huì)贊賞自己的選擇。