鐵路多年來一直有軌到軌的組件，事實上，這些組件幾乎是鐵路到鐵路。運算放大器采用幾乎軌到軌的傳統。本應用筆記討論了軌到軌運算放大器，并解釋了為什么某些輸入和輸出可能小于、接近或略高于電源軌。

介紹

對一些人來說，鐵路旅行讓人聯想到懷舊的形象。他們看著一個舊的火車引擎，它代表了過去時代的時間和生活方式。它暗示了一個更簡單、更慢的時間。這種形象與今天的通勤甚至航空旅行完全不同。今天的大多數商務旅行都是在奔波中完成的。可悲的是，在機場安檢線等待大約是我們唯一一次不跑來跑去。

軌道設備上的法蘭輪引導軌道上的輪子。蒸汽、柴油、電動甚至子彈頭列車每天都在軌到軌的法蘭車輪上運行。在拐角處和通過開關，法蘭引導重載。輪緣是否跨越軌到軌？是的，但不完全是。為了轉動，車輪需要一點間隙。需要了解車輪、車軸、軌道和熱膨脹的制造公差，才能使鐵路安全運行。

Maxim的運算放大器使用軌到軌與鐵路無關。盡管如此，鐵路還是很好地描繪了這種現象。正如列車的電源軌對列車的橫向移動施加了限制一樣，運算放大器電源軌也對輸入和輸出的電壓擺幅施加了限制。與鐵路一樣，對于運算放大器，“軌到軌”可能意味著“幾乎軌到軌”。正如我們將看到的，該術語對于輸入和輸出可能意味著不同的東西。它也可能不僅僅意味著鐵路到鐵路。

軌到軌和現代運算放大器

早期運算放大器的輸出驅動在信號接近電源軌時耗盡電流。當信號峰對峰幾伏并且電源為正負 12V 或 15V 時，沒有問題。然而，隨著電源的減少，軌到軌信號擺幅變得非常理想。因此，電路配置隨時間而變化。軌到軌和軌外?輸入和軌到軌輸出在現代運算放大器上很常見。

圖2.具有六個晶體管的早期運算放大器。

第一個運算放大器使用真空管（空心狀態器件），然后使用分立晶體管，如圖2所示。這些電路導致了集成運算放大器。今天的集成電路非常復雜，復雜的電路使用數百個晶體管。

軌到軌輸入

用于軌到軌輸入的運算放大器輸入級使用兩對晶體管。有源器件可以是MOS（圖3）、雙極性（圖4）或CMOS。

圖3.MOS軌到軌輸入級。

與大多數工程一樣，設備之間需要權衡性能。溫度穩定性、輸入阻抗、頻率響應和失調電流因不同的晶體管系列而異。這意味著晶體管的選擇取決于應用。1

圖4.雙極性運算放大器輸入級。

在圖3和圖4中，“P”輸入對將在最負電源限值附近處于活動狀態。“N”輸入對將在最正電源限值附近處于活動狀態。在工作范圍的中心，信號必須從一對轉換到另一對。在轉換時，失真將上升，輸入電流將在對之間發生變化（圖 5）。MAX4122對此進行了說明。當軌到軌輸入放大器的共模輸入電壓從一個電源軌掃描到另一個電源軌時，輸入偏置電流在符號和幅度上都會發生變化。許多現代IC技術都集中在減少失真和平衡電流上。

與其他軌到軌運算放大器不同，MAX4091系列運算放大器的過渡區域已擴大至約600mV，以盡量減少這種失配引起的CMRR的輕微下降。仔細研究數據手冊對于理解這些問題非常重要。在低電壓、低電流運算放大器中，經常會看到有關交越失真的警告，以及建議偏置敏感信號以避免交越點的情況。

圖5.MAX4122運算放大器的軌到軌輸入級偏置變化

盡管MAX4091運算放大器系列采用雙極性工藝，但輸入偏置電流通常小于20nA。由于偏置電流在NPN輸入級激活時流入器件，在PNP輸入級激活時流出，因此有必要考慮該電流的影響。為了減少流經外部源電阻的輸入偏置電流引起的失調誤差，這些阻抗應匹配良好。數據手冊對此進行了詳細討論。

在運算放大器數據手冊中還有另一個重要特性需要注意，其聲明類似于以下內容：過驅動輸入沒有反相或閂鎖。兩者都是早期運算放大器的常見問題，它們在大多數電路中都會造成嚴重破壞。一些閂鎖條件甚至導致設備損壞。

對于MAX4091系列等典型的軌到軌運算放大器，輸入共模范圍超出正負電源軌50mV。該范圍已發展到超過MAX100系列正負電源軌的9910mV。進一步改進后，MAX4220和MAX4091系列開發了專有的超擺幅技術。后一種器件可將 200mV 擴展至正電源軌和負電源軌之外。

圖6.輸入電路，包括輸入范圍內的接地。

圖6顯示了運算放大器的典型雙極性配置，該放大器包括共模范圍內的接地軌。具有這種負電源軌能力的雙極性器件是MAX4493和LMX321系列。CMOS等效器件是MAX4475和MAX4036系列。

軌到軌輸出

圖7.軌到軌輸出級（a）和標準輸出級（b）。

就像幾乎軌對軌的鐵路輪緣一樣，運算放大器的輸出電路幾乎是軌對軌。有關這一點的關鍵數據手冊信息是一條聲明，說明輸出電壓擺幅在負載為“n”Ω電源的“n”mV以內。

軌到軌輸出級（圖7a）具有共發射極配置，而標準輸出級（圖7b）具有發射極-跟隨器配置。觀察數據手冊的負載條件。人們可能期望負載接地，但負載通常連接到電源值的一半。軌到軌輸出規格始終為輕負載。隨著負載（電流）的增加，放大器在電源軌附近的擺幅降低。因此，如果在接近電源幅度（電源軌）的電壓下需要低失真大電流，則必須考慮增加電源電壓并使用傳統的運算放大器。另一種選擇是使用MAX4162運算放大器系列，它采用新穎的方法解決標準軌到軌輸出級的問題。這些運算放大器具有經典的發射極-跟隨器輸出級，但通過內部電荷泵轉換器實現軌到軌輸出，該轉換器提供內部電源電壓以偏置多個放大器級，包括輸出級。因此，輸入級具有標準的接地檢測配置，但允許輸入從地擺幅至V。CC2.與往常一樣，應用決定了最佳電路配置。

總結

軌到軌運算放大器具有一系列典型輸出擺幅，適用于各種器件。MAX4091系列的典型輸出擺幅為15kΩ負載時電源電壓的100mV以內。當作為壓跟隨器連接時，MAX4321的輸出擺幅為0.02V至2.97V，采用+3V電源供電，負載為100kΩ接地。MAX4321的最大輸出電壓擺幅取決于負載，但即使最大負載為300Ω地，在+5V電源的250mV以內。當作為電壓跟隨器連接時，MAX4230保證在正電源軌的500mV以內（VDD= 2.7V），即使最大負載為32Ω至地。MAX4240–MAX4244的輸出級可以驅動高達10kΩ的負載，擺幅仍保持在供電軌的40mV以內。因此，應用程序有助于定義正確的零件。

鐵路旅行是懷舊的，軌到軌法蘭輪仍然是引導列車。對于運算放大器，我們已經看到輸入的“軌到軌”甚至意味著超越軌。對于輸出，就像鐵路一樣，它可能意味著幾乎是軌到軌。隨著技術的進步，運算放大器可能會繼續改進，并且由于其優點，它們將被使用多年。

審核編輯：郭婷