浅谈轨到轨放大器应用设计

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1、浅谈轨到轨放大器应用设计在当前的电子系统屮，负电源正在消火，正电源电压也在逐渐降低。这种趋势使得轨到轨放大器口益流行。尽管电源电压在不断地改变，但信号电平通常保持不变。例如，标准的视频信号为2V,当电源电压降低到2V时，放大器/缓冲器必须线性地、准确地工作于整个2V电压范

2、羽内。本文将专门讨论轨到轨放人器输入级的发展，并详细讨论克服了轨到轨放大器缺点的输入增强电路。为简单起见，我们的讨论仅限于MOSFET放大器。图1显示了基本运放的输入级。一个被称为差分対的晶体管対位于电流源上端，用以适应差分输入。尽管这种拓扑能够提供差分增益并抑制共模信号，但其局限性在于其丄作范围。在3V的单电源条件下

3、，输入电压范I羽在0~1.5V°如果输入电压高于1.5V,电流源将被迫退出饱和状态。一旦电流源离开饱和区域，增益将失真。图仁基本运放的输入级。対于像电流检测或电压检测这样的实例应用（如EKG）,设计质量与能够处理的信号电压范围百接相关。标准的轨到轨运放拓扑结构能满足这种挑战，该拓扑有两个输入级（如图2所示）。当输入电压接近低电压轨时，PMOS晶体管对放人信号。相反地，NMOS差分对放大接近上限电压轨的输入信号。通过这种方式，输入电压范围可以为整个电源电压范围。为获得这种输入电压范围的改善，最明显的折衷是需要额外的电源来偏置互补差分对。图2：轨到轨工作的双输入级。相对于输入偏置电压，偏置电

4、压存在不太明显的折屮。NMOS对的偏置不必与PMOS对的偏置匹配•发牛偏置时极性反向。在电源电压中间附近，存在从一个对到另外一个对的切换。在切换期间，偏置电压为每个对的偏置电压的平均值。这就产生了一个阶梯的特性（如图3所示）。为了更深入了解，图中给出了不同温度的偏置电压。低共模输入电圧下激活的PMOS输入对表现出相对于温度很宽的偏置电压范围。NMOS对的变化导致图中右边对于高共模输入电压的分布情况。500050005005000刃00CM21—1—4^—邛(>□.)段一右sto_ndLI_-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0CommonM

5、odeInputVoltage(V)Q“弗邱图3：相对于输入共模电压的输入偏置电压。如前所述的EKG等检测应用中，偏置电压的任何变化都会影响到系统的精度。信号必须先被放人到远远高于偏置电压的电平，以利用像图2所示拓扑结构的轨到轨放大器。在高精度和低功耗的应用屮，需要一种新型的轨到轨放大器。H的是在没冇交叉偏置电压失真的情况下获得全范围的输入电压，这种交叉失真发牛在双差分设计中的切换期间。让我们重新回到单差分设计。图1所示拓扑的输入范围不支持整个范围的输入操作。输入范I羽的一•部份预留下来用于偏置饱和区中的电流源。电流源能以一种允许输入横跨电源轨之间的方式实现偏置吗？在像EL8178这样的

6、运放中包括了输入范围增强电路，用于调节提供给电流源的内部偏置。图4展示了这种创新的拓扑。在增强电路中是一个电荷泵。尽管电荷泵常常会导致噪声问题，但电荷泵的工作频率远超过放大器的带宽。因此，放大器的噪声性能不会有明显的改变。图4：带输入范用增强电路的轨到轨输入级此外，我们必须重新考虑偏置电压的问题。图5实现了保持偏置电压的目标。输入范围增强电路允许单个运放对来提供轨到轨操作，不需要另外的互补差分对。偏置电压完全决定于仅仅一组晶体管的火配，因此没有交叉区域。认真的布局利修整对以确保输入基准偏置电压低于100VoSJ^SZHOlfldN一图5：相对于输入共模电压的增强输入轨到轨级输入偏置电压到

7、此为止，我们的讨论仅局限于MOSFET实现方式。双极技术也能受益于这种配置。除了改善偏直电压，双极技术实现在输入偏置电流上还能表现出类似的改善。输入偏置电流仅提供给一个匹配差分对，而不迢具有交叉区域的两个差分对。以上是轨到轨放人器的演进过程。由一个差分对组成的基本输入级不允许输入全范围的电压。双差分对将输入电压范围扩展到电源电压，但是偏置电压（以及在BJT屮的偏置电流）具有非线性，这是因为两个对Z间的切换引起的。第三种解决方案包括一个内部增强电路來调整单•差分对的电流源偏置，以实现偏置电压连续条件卜•的轨到轨操作。衣1总结了3种实例运算放人器的性能。最终版本EL8178提供了低功率、高分

8、辨率系统（如便携式EKG机器）所需的规范。运曲△类空（例子）输入级5”单电源时的荃册△-范宦（CMIR）偏贸岂压（输入参考）基本(EL5144)里差分对CH3.5V25mV轨到<(EL5111)-05-55V3-15mV偏鷲型轨到轨（L0173）输入瑙强型雯羞分刘0-5VI50^100V农1:具有三个不同输入级的运放性能特性参数。