上述兩種情況是由于放大器的輸入范圍與輸出范圍這兩個參數(shù)影響了放大電路。

 

輸入電壓范圍（Input VoltageRange）

 

使得放大器能夠正常工作的最大的輸入電壓范圍。通常我們也將其稱為放大器的輸入軌。

 

圖2 ADA4004數(shù)據(jù)手冊

 

圖 2所示為ADA4004在正負(fù)5V供電的情況下，其輸入的電壓軌為-3.5V到+3.5V。那么在這種供電情況下，輸入電壓超過這個范圍輸出信號將出現(xiàn)失真。

 

輸出電壓范圍（Output VoltageRange）

 

在給定供電電壓與特定負(fù)載的情況下，輸出電壓的最大范圍。

 

圖3 LTC2063 輸出電壓范圍

 

在芯片的datasheet中描述輸出電壓范圍的參數(shù)通常會使用VOL來表示接近負(fù)電源軌的電壓差，使用VOH來表示接近正電源軌的電壓差。圖3描述的是LTC2063在供電電壓為5V時當(dāng)負(fù)載為499K時，典型的VOL為0.1V，VOH為0.15V。那么也就是這種情況下輸出的電壓范圍的典型值為0.1V-4.85V。

 

充分利用電源軌

 

在一些特殊的場合，如穿戴設(shè)備，由于采用鋰電池供電，并且需要考慮到尺寸等問題，因此通常其供電電壓并不高。如采用鋰電池3.7V供電，在這種情況下，為了盡可能的使信號的幅度大就需要充分利用系統(tǒng)所提供的電源軌。

 

在這種低壓單電源供電的情況下，希望放大器能夠正常處理接近電源軌的輸入信號，因此就需要輸入軌到軌（Rail to RailInput）放大器。這種放大器的輸入范圍允許接近電源軌，當(dāng)然通常只能是接近并不能達(dá)到電源軌。也存在一些特例，有的放大器允許輸入的電壓的范圍超過電源軌，這類放大器通常是由于內(nèi)部做了電荷泵升壓。我們暫不討論這種情況。

 

軌到軌輸入放大器的輸入特性

 

由于在放大器的輸入級設(shè)計了互補差分輸入拓?fù)?，圖 4是ADI的LTC6261放大器的簡圖，其中Q1~Q4構(gòu)成了互補差分輸入對管。在其輸入級存在兩對差分對，當(dāng)放大器的輸入信號接近負(fù)的電源時，輸入的P管（Q1 & Q2）導(dǎo)通同時N管（Q3 & Q4）關(guān)閉，此時是由P差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。當(dāng)輸入信號接近正電壓軌時，輸入差分對中的N管導(dǎo)通而P管關(guān)閉，此時是由N差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。

 

圖4 LTC6261內(nèi)部簡圖

 

軌到軌輸入放大器使用注意事項

 

看起來，軌到軌輸入是一個很好的解決放大器輸入級信號范圍的方法，但是在使用這種放大器的時候需要注意到，由于輸入差分對中的P管與N管的失調(diào)電壓不同，因而會導(dǎo)致放大器的輸入失調(diào)電壓（Input OffsetVoltage）會在切換點發(fā)生變化。

 

圖5 LTC2063共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系

 

圖5是ADI的LTC2063在不同供電電壓的情況下共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系，從圖中可以看出來：在5V供電的情況下，輸入信號為4.2V左右時發(fā)生切換，此時失調(diào)電壓發(fā)生變化。在1.8V供電的情況下，輸入信號為1V左右時發(fā)生切換，輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。因此在設(shè)計精密放大電路時需要注意，當(dāng)輸入的信號包含了切換點的電壓時，那么放大器的失調(diào)電壓會發(fā)生變化，因此需要判斷這個失調(diào)電壓是否足以影響到我們關(guān)心的信號精度。

 

這些情況不用軌到軌輸入放大器

 

在設(shè)計電路的時候，仔細(xì)的考慮是否真的需要使用輸入軌到軌的放大器。

 

1）當(dāng)設(shè)計時候如果增益不為單位增益，那么通常就不需要輸入軌到軌，因為輸出信號是不會大于電源軌的，因此當(dāng)放大電路存在大于1的增益時，其輸入信號必定小于電源軌。

 

2）通常對于反向放大電路也是不需要輸入軌到軌放大器的，因為對于反向放大電路而言，其共模輸入電壓是一個定值，并且這個電壓值等于放大器的同相端的電壓。

 

3）在單電源電路中我們通常會通過放大器的同相端配置一個偏置電壓，并且使得這個偏置電壓符合放大器的輸入共模范圍，因此不需要使用輸入軌到軌放大器。