了解运算放大器中的输入信号波动

本文是关于运算放大器信号波动的两部分系列文章中的第一篇，解释了运算放大器输入电压的特性和限制。

运算放大器，通常被称为运算放大器，提供了高性能和多功能性，同时使用起来相对简单。简化的行为模型和基本电路拓扑对于它们的许多应用来说都足够准确，甚至在模拟软件或设计工具的帮助下，复杂的运算放大器架构也可以快速有效地实现。

然而，工程师们也会遇到运算放大器的功能细节和非理想性在设计过程中发挥主要作用的情况。例如，信号波动——输入或输出信号可用的电压范围——是运算放大器性能的一个方面，需要仔细考虑。在本文中，我们将了解运算放大器中的输入信号波动；下一篇文章将介绍输出信号波动。

信号波动基础

请考虑图1中的简化运算放大器电路图。没有显示电源引脚或电源电压，也没有指示信号波动的限制。

一种简化的非反相运算放大器。

图1。一种简化的非反相运算放大器。图片由All About Circuits提供

在这种理想化的环境中，输入信号和输出信号可以扩展到任何正电压或负电压。尽管这一假设完全不现实，但由于两个原因，它在许多应用程序中都非常有效：

输入和输出信号通常很好地保持在运算放大器的电源电压内。

即使信号超过指定的电压范围，电路也可以保持令人满意的性能。

现实生活中的运算放大器总是对信号波动施加限制。这些限制受到放大器的内部电路及其电源电压的影响。因此，在评估特定应用中的信号波动时，您需要考虑板级设计参数和运算放大器数据表中列出的功能参数。

运算放大器的可用输入信号摆幅将在数据表中给出，但它通常被称为“共模输入范围”或“共模电压范围”。要理解原因，我们需要探索共模输入电压的概念。

共模输入电压

运算放大器是具有高开环增益的差分放大器。负反馈使我们能够轻松地将运算放大器转换为具有低或中等增益的单端放大器。当运算放大器被配置为负反馈放大器时，两个输入端子处的电压几乎相同，即使我们认为一个输入电压是固定的，而另一输入电压是自由变化的波形。例如，考虑图2中的图表。

一个简单的反相运算放大器。

图2:一个简单的反相运算放大器。图片由All About Circuits提供

非反相输入端始终处于0V。事实证明，反相输入端也保持在非常接近0V的电压，尽管通过电阻器连接到波动的输入信号。这种现象被称为虚拟短路。

如果将两个电压施加到差分放大器的输入端子，然后取这两个电压的平均值，则得到放大器的共模输入电压。在具有负反馈的运算放大器的情况下，两个输入电压几乎相同，因此共模电压是在任一输入端测量的电压。

与共模电压的小偏差通常与信号波动的讨论无关。相反，我们关注的是将共模电压保持在可接受的范围内。在下一节中，我们将使用一些真实世界运算放大器的数据表来研究“可接受范围”的含义。

输入信号回转技术规格

让我们从德州仪器公司的OPA277运算放大器开始。表1显示了数据表中记录的可用输入信号波动。请注意，我们将要检查的每个数据表对此规范使用的术语略有不同——在这里，它被称为共模电压范围。

表1。OPAx277的输入信号波动规格。数据由德州仪器提供

参数最小最大单位

共模电压范围（VCM）V–+2 V+–2

如前所述，可用的输入信号波动取决于电源电压。这就是为什么极限被给出为“V–+2”和“V+–2”。这些值意味着输入信号可以安全地降至：

比低电压电源轨高2 V。

比高压电源轨低2 V。

许多较新的运算放大器提供轨对轨输入性能，这意味着输入信号可以非常接近电源电压。一些轨对轨运算放大器，如Analog Devices的LTC6522，其输入范围完全包括电源电压轨。表2给出了该运算放大器的输入摆幅。

表2。LTC6522的输入信号波动规格。由Analog Devices提供的数据

参数最小最大单位

输入共模范围（VCMR）0 VS V

LTC6522的数据表假设电源电压为5V和0V。即使电源电压为3.3V和0V，轨对轨运算放大器也可以提供一个可行的输入范围，这使得它们在低压设计中具有优势，有时是至关重要的。

不过，你必须对“铁路到铁路”这个词小心一点。LT6023也来自Analog Devices，列在同一个Rail-to-Rail Op Amps产品子类别中，被描述为“精确的Rail-to-Rail输出放大器”。这里的关键是要认识到，“Rail-to-Rail”修改的是“输出”，而不是“放大器”。正如我们在表3中看到的，输入级不提供Rail-to-Rail性能。

表3。LT6023的输入信号波动规格。由Analog Devices提供的数据

参数最小最大单位

共模输入范围（VICM）V–+1.2 V+–1.4 V

一些运算放大器，如Analog Devices的MAX4240，甚至允许输入电压超出轨道。我们可以在表4中看到这些规格。

表4。MAX4240的超轨道输入波动能力。由Analog Devices提供的数据

参数最小最大单位

输入共模电压范围（VCM）V––0.2 V++0.2 V

信号波动过大的影响

不符合共模输入范围可能会阻止放大器提供线性输入输出关系，从而导致性能受损。此外，过度信号波动导致的非线性是不完全可预测的——特定运算放大器产生的失真量可能取决于输入信号的频率。当系统在不同条件下运行时，在测试过程中看似无害的输入范围违规可能会在以后被证明是有问题的。

图3中的模拟图给出了输入范围违规导致的失真示例。模拟中使用的运算放大器是LT1880，它具有轨对轨输出，但输入范围为VIN（最小值）=V–+1.0到VIN（最大值）=V+–1.2。我使用了V–=–2.5 V和V+=2.5 V，因此理论上我可接受的输入摆幅应该在–1.5 V到1.3 V之间。

由于未停留在运算放大器的输入信号波动规格内而导致的模拟失真。

图3。与共模输入电压相关的模拟失真不符合运算放大器的输入信号波动规格。图片由Robert Keim提供

尽管非线性导致的失真在所有应用中可能不是灾难性的，但最好是安全的，并确保电路始终符合输入摆幅限制。这通常可以在没有太多困难的情况下完成——简单地调整电源电压或选择轨对轨运算放大器就足以防止输入范围违规。

下一篇

现实生活中的运算放大器电路总是对输入和输出信号的允许电压范围有限制，仔细注意这些细节可能是优化放大器的重要组成部分。到目前为止，我们只讨论了输入波动——我们将在这个由两部分组成的系列的后半部分讨论输出信号波动。