什么是共模輸入電壓
共模輸入電壓,指的是相對(duì)于公共地而言的信號(hào)。共模和差模其實(shí)沒有嚴(yán)格的定義。只是說共模是相對(duì)于公共地而言的信號(hào),而差模則是兩個(gè)信號(hào)的差(注意這里沒有強(qiáng)調(diào)公共地,你也可以將地作為一個(gè)信號(hào)處理)。單純孤立地討論共模和差模沒有多大的意義,必須結(jié)合具體的設(shè)計(jì)對(duì)象——如差分信號(hào)線。
定義
設(shè)差分信號(hào)線的正端電壓為Vp,負(fù)端電壓為Vn。自然你可以定義Vp或Vn為共模電壓(都相對(duì)于公共地),而Vp - Vn為差模電壓。但是這種孤立的定義和分析沒有意義。最簡單的,Vp和Vn到底哪個(gè)代表了差分信號(hào)線上的“共?!彪妷??如果干擾只作用在Vp或Vn上(或不平衡),那算什么干擾?“共模抑制”對(duì)此是否有效?
看看這兩個(gè)式子:(Vp + Vn) / 2,(Vp - Vn) / 2。前一個(gè)是兩個(gè)信號(hào)線相對(duì)于公共地的平均值。不僅如此,這兩個(gè)式子把差分信號(hào)線上的共模和差模特性非常自然地區(qū)分開來了,而且具有等權(quán)。如果只有(Vp + Vn) / 2干擾,而沒有(Vp - Vn) / 2的干擾(這就是所謂的共模干擾),共模抑制就會(huì)完全抑制它。如果只有(Vp - Vn) / 2 信號(hào),而沒有(Vp + Vn) / 2 信號(hào)(其實(shí)Vp和Vn都有信號(hào),只是抵消而已),那便是我們非常熟悉的差分信號(hào)。
公式
輸入共模電壓范圍是多少
談及運(yùn)算放大器輸入時(shí),輸入共模電壓(VICM)是工程師首先會(huì)想到的一個(gè)術(shù)語,但其可能會(huì)帶來一定的初始混淆。VICM描述了一個(gè)特殊的電壓電平,其被定義為反相和非反相輸入引腳(圖1)的平均電壓。
圖 1 運(yùn)算放大器的輸入共模電壓
它常常被表示為:
VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.
思考VICM的另一種方法是,它是非反相和反相輸入即VIN (+)和VIN (–)常見的電壓電平。事實(shí)證明,在大多數(shù)應(yīng)用中,VIN (+)都非常接近于VIN (–),因?yàn)殚]環(huán)負(fù)反饋使一個(gè)輸入引腳緊跟另一個(gè),這樣VIN (+)和VIN (–)之間的差便接近于零。
對(duì)許多常見電路而言確是這樣一種情況,其包括電壓跟隨器、反相和非反相配置。在這些情況下,我們常常假設(shè)VIN (+) = VIN (–) = VICM,因?yàn)檫@些電壓大約相等。
用于描述運(yùn)算放大器輸入的另一個(gè)術(shù)語是“輸入共模范圍”(VICMR),或者更準(zhǔn)確的說是“輸入共模電壓范圍”。它是許多產(chǎn)品說明書中經(jīng)常用到的一個(gè)參數(shù),同時(shí)也是廣大電路設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的一個(gè)參數(shù)。VICMR定義了運(yùn)算放大器器件正確運(yùn)行所需的共模輸入電壓“范圍”,并描述了輸入與每個(gè)電源軌的接近程度。
思考VICMR的另一種方法是:它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定義的一個(gè)范圍。如圖2所示,對(duì)VICMR的描述如下:
VICMR = VICMR_MAX – VICMR_MIN
其中:
VICMR_MIN = 相對(duì)于VCC –電源軌限制
VICMR_MAX = 相對(duì)于VCC+電源軌限制
圖 2 運(yùn)算放大器的輸入共模電壓范圍
超出VICMR時(shí),便無法保證運(yùn)算放大器的正常線性運(yùn)行。因此,保證完全了解輸入信號(hào)的整個(gè)范圍并確保不超出VICMR至關(guān)重要。
產(chǎn)生混淆的另一個(gè)方面可能會(huì)是:VICM和VICMR并非標(biāo)準(zhǔn)化縮略語,而各個(gè)IC供應(yīng)商的各種產(chǎn)品說明書通常使用不同的術(shù)語,例如:VCM, VIC, VCMR等。結(jié)果,我們必需要了解您研究的規(guī)范超過了某個(gè)特殊輸入電壓—一個(gè)“輸入電壓范圍”。
VICMR因運(yùn)算放大器而各異
運(yùn)算放大器的輸入級(jí)由設(shè)計(jì)規(guī)范和所用運(yùn)算放大器工藝技術(shù)類型規(guī)定。例如,CMOS運(yùn)算放大器的輸入級(jí)便與雙極型運(yùn)算放大器不同,其區(qū)別于JFET運(yùn)算放大器等。運(yùn)算放大器輸入級(jí)和工藝技術(shù)的具體情況不在本文討論范圍內(nèi),但注意到這些差異存在于各種運(yùn)算放大器器件之間也很重要。
表1列舉了幾個(gè)德州儀器(TI)運(yùn)算放大器的例子及其VICMR?!白畲箅娫捶秶睓诿枋隽朔至咽诫娫春蛦坞娫矗ɡㄌ?hào)內(nèi))限制。由該表,我們清楚地知道各運(yùn)算放大器的輸入范圍VICMR明顯不同。根據(jù)器件的具體類型,VICMR可能會(huì)低于或者超出電源軌。因此,絕不要假設(shè)運(yùn)算放大器可以接收特殊輸入信號(hào)范圍,除非在產(chǎn)品說明書規(guī)范中得到核實(shí)。
表 1 幾種不同運(yùn)算放大器的VICMR舉例
值得一提的一種寬輸入范圍特例是“軌到軌輸入運(yùn)算放大器”。盡管,顧名思義,它是一種輸入涵蓋整個(gè)電源軌范圍的運(yùn)算放大器,但并非所有軌到軌輸入器件都如許多人設(shè)想的那樣涵蓋整個(gè)電源范圍。許多軌到軌輸入運(yùn)算放大器的確涵蓋了整個(gè)電源范圍(例如:表1中的OPA333等),但有一些則沒有全覆蓋,而其描述對(duì)人具有一定的誤導(dǎo)性。另外,檢查產(chǎn)品說明書中的規(guī)定輸入范圍至關(guān)重要。
VICMR違規(guī)舉例
VICMR違規(guī)常見于單電源運(yùn)算放大器應(yīng)用中,這些應(yīng)用的負(fù)軌通常為接地電壓即0V,而正軌為正電壓,例如:3.3V、5V或者更高。在這些應(yīng)用中,輸入信號(hào)范圍一般不是非常寬,同時(shí)必須較好地理解輸入信號(hào)和VICMR,以確保正確的運(yùn)算放大器運(yùn)行結(jié)果。如果違反VICMR,非理想輸出行為可導(dǎo)致如低于預(yù)期電壓電平的信號(hào)削波、輸出信號(hào)電壓變化、反相,或者輸出過早地達(dá)到某個(gè)電源軌電壓。
為了更好地理解超出VICMR帶來的影響,我們列舉出了一些此類違規(guī)的例子。我們選擇兩個(gè)不同VICMR規(guī)范的運(yùn)算放大器,以說明這些影響。我們之所以選擇這些器件,是因?yàn)樗鼈兙哂熊壍杰壿敵?,可排除輸出?jí)帶來的一些限制。圖3所示單電源電壓跟隨器電路,用于獲取兩個(gè)器件的波形。所有數(shù)據(jù)均在~25°C室溫下的實(shí)驗(yàn)臺(tái)獲取。
圖 3 用于評(píng)估VICMR的單電源電壓跟隨器電路
例1
作為第一個(gè)例子,我們選擇一個(gè)TLC2272運(yùn)算放大器,并通過VCC = 10V為其供電。產(chǎn)品說明書將其典型VICMR范圍描述為25°C條件下5V電源電壓的–0.3 to 4.2V范圍。注意正電源軌附近的輸入限制,即VCC以下.8V (或者VCC –.8V)。本例中,我們使用了VCC = 10V,并且所得接近VCC輸入限制估計(jì)為約9.2V。
為了測(cè)試該電路,我們將VCC/2 = 5V DC偏移的300 Hz正弦波應(yīng)用于輸入端。在VOUT出現(xiàn)變化以前,一直對(duì)AC幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示,當(dāng)應(yīng)用10 Vp-p輸入時(shí),VOUT在正軌附近出現(xiàn)一個(gè)經(jīng)削波的信號(hào),而非負(fù)軌附近。如果輸入超出VCC – 0.8V(本例中為9.2V),這種正軌附近出現(xiàn)的非理想行為是我們能夠預(yù)計(jì)到的。9.2V以下VIN電平和低至0V時(shí),VOUT顯示出正確的波形,正如我們所預(yù)期的那樣。
圖 4 VIN (Ch1)超出9.2V時(shí)TLC2272的VOUT顯示削波
例2
第二個(gè)例子中,我們?cè)趫D3電壓跟隨器電路中使用一個(gè)TL971軌到軌輸出運(yùn)算放大器,但其結(jié)果不同。這里,我們通過一個(gè)5V單電源為運(yùn)算放大器供電,這樣便得到VCC = 5V。由產(chǎn)品說明書規(guī)范可知,保證VICMR范圍為1.15V到3.85V,即中間VCC/2大概為2.7 Vp-p。將一個(gè)1-kHz正弦波應(yīng)用于2.5V的DC偏移。在觀測(cè)到VOUT出現(xiàn)變化以前,不斷將VIN幅值從200 mVp-p調(diào)節(jié)到更大級(jí)別。
VIN位于范圍中間即VCC/2 = 2.5V時(shí),VOUT線性表現(xiàn)正常時(shí)VIN增加至2.7 Vp-p。隨著VIN增加至約3.5 Vp-p(中間為2.5V),VOUT繼續(xù)跟隨VIN,并表現(xiàn)出正確的運(yùn)算放大器行為。注意,該線性行為好于我們根據(jù)產(chǎn)品說明書限制做出的VICMR預(yù)計(jì),但其仍然超出了保證限制。
VIN稍稍增加至3.52 Vp-p,VOUT便開始在正(5V)和負(fù)(0V)軌附近呈現(xiàn)非線性行為(圖5)。VIN進(jìn)一步增加至4.2 Vp-p,明顯超出VICMR。由于輸入峰值在正軌附近超出限制,因此其上跳至正軌(5V),并在VIN返回到某個(gè)可接受范圍以前一直保持在該狀態(tài),最終VOUT信號(hào)出軌(圖6)。隨著輸入降至負(fù)軌附近限制以下,VOUT信號(hào)表現(xiàn)出倒相,同時(shí)其跳至中軌(2.5V),并在VIN增加到VICMR范圍內(nèi)某個(gè)可接受電壓水平以前,一直通過偏壓來跟隨VIN。
圖 5 VIN = 3.52 Vp-p時(shí)TL971非線性輸出行為開始端
圖 6 VIN = 4.2 Vp-p時(shí)TL971非線性輸出行為
這些例子表明,超出VICMR時(shí)不同類型的運(yùn)算放大器可產(chǎn)生不同的非線性行為。盡管在第二個(gè)例子中產(chǎn)生了倒相,但我們需要注意的是,違反VICMR時(shí)并非“所有”運(yùn)算放大器都會(huì)出現(xiàn)倒相—它的產(chǎn)生只取決于具體的運(yùn)算放大器。
DC分析
在前面所述例子中,我們利用一個(gè)AC信號(hào)來評(píng)估運(yùn)算放大器電路的VICMR。另一種有用的測(cè)試方法是,將一個(gè)DC電壓源作用于圖3中電路的輸入。DC輸入變化時(shí),輸出電平也以類似方式變化,只是它不會(huì)隨時(shí)間的推移而持續(xù)變化。根據(jù)電路的不同類型,在早期的運(yùn)算放大器評(píng)估過程中,AC或DC分析(或者兩種分析一起使用)可能會(huì)有所幫助。
克服VICMR問題
在設(shè)計(jì)過程的后期,如果您發(fā)現(xiàn)您無法滿足運(yùn)算放大器的VICMR要求怎么辦呢?可能其他一些參數(shù)會(huì)是您應(yīng)用的理想選擇,而要修改器件是一件十分困難的事情。一個(gè)或多個(gè)下列選項(xiàng)或許可以作為一種備選解決方案:
?。╝) 如果輸入幅值過大,請(qǐng)使用一個(gè)電阻分壓器來讓信號(hào)維持在正確的VICMR范圍內(nèi)。
(b) 如果輸入信號(hào)偏移存在問題,請(qǐng)嘗試使用一個(gè)輸入偏置或者DC偏移電路,以讓輸入信號(hào)保持在規(guī)定的運(yùn)算放大器VICMR范圍內(nèi)。
?。╟) 將器件改為軌到軌輸入運(yùn)算放大器,以滿足所有其他要求。
評(píng)論
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