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1、word运算放大器输入共模X围超出的问题 Todd Toporski，某某仪器 (TI) 模拟应用工程师根据一些对您的应用最为重要的参数，为您的电路选择一个运算放大器op amp，需要一个复杂的过程。您查看的一些参数可能会包括电源电压、增益带宽积、转换速率和输入噪声电压等等。您还说明了输入共模X围，对于您的电路中所有运算放大器应用来说，它都是一种重要的关键参数，是这样吧？如果您说“不是，那么我们强烈推荐您阅读本文。即使您的答案是肯定的，您仍然会发现这篇文章很有帮助。那些在其整个职业生涯都与运算放大器打交道的工程师们，可能都碰到过运算放大器工作异常的情况。好的一方面是运算放大器输出通常会说明情况
2、。很多时候，如果情况并不“那么好，其会在输出引脚以一种明显的方式表现出来。非理想输出波形可由输出级的诸多限制因素引起。我们可能会观测到输出端过多电容引起的振荡。否如此，在达到全轨电压之前可能会出现削波，因为输出级被限制在低于电源轨电压的电压摆动。运算放大器输出端出现与输出级无关的异常行为也是可能的。有时，非理想输出信号可能会产生自器件输入端异常。最常见的运算放大器问题是超出器件输入共模X围。但是，“输入共模X围到底是什么，而超出这一X围又会产生什么影响呢？输入共模X围定义谈与运算放大器输入时，输入共模电压VICM是工程师首先会想到的一个术语，但其可能会带来一定的初始混淆。VICM描述了一个特殊
3、的电压电平，其被定义为反相和非反相输入引脚图1的平均电压。图 1 运算放大器的输入共模电压它常常被表示为：VICM = VIN (+) + VIN ()/2.思考VICM的另一种方法是，它是非反相和反相输入即VIN (+)和VIN ()常见的电压电平。事实证明，在大多数应用中，VIN (+)都非常接近于VIN ()，因为闭环负反应使一个输入引脚紧跟另一个，这样VIN (+)和VIN ()之间的差便接近于零。对许多常见电路而言确是这样一种情况，其包括电压跟随器、反相和非反相配置。在这些情况下，我们常常假设VIN (+) = VIN () = VICM，因为这些电压大约相等。用于描述运算放大器输入
4、的另一个术语是“输入共模X围VICMR，或者更准确的说是“输入共模电压X围。它是许多产品说明书中经常用到的一个参数，同时也是广阔电路设计人员最为关心的一个参数。VICMR定义了运算放大器器件正确运行所需的共模输入电压“X围，并描述了输入与每个电源轨的接近程度。思考VICMR的另一种方法是：它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定义的一个X围。如图2所示，对VICMR的描述如下：VICMR = VICMR_MAX VICMR_MIN其中:VICMR_MIN = 相对于VCC 电源轨限制VICMR_MAX = 相对于VCC+电源轨限制图 2 运算放大器的输入共模电压X围超出VICMR时，
5、便无法保证运算放大器的正常线性运行。因此，保证完全了解输入信号的整个X围并确保不超出VICMR至关重要。产生混淆的另一个方面可能会是：VICM和VICMR并非标准化缩略语，而各个IC供给商的各种产品说明书通常使用不同的术语，例如：VCM, VIC, VCMR等。结果，我们必需要了解您研究的规X超过了某个特殊输入电压一个“输入电压X围。VICMR因运算放大器而各异运算放大器的输入级由设计规X和所用运算放大器工艺技术类型规定。例如，CMOS运算放大器的输入级便与双极型运算放大器不同，其区别于JFET运算放大器等。运算放大器输入级和工艺技术的具体情况不在本文讨论X围内，但注意到这些差异存在于各种运算
6、放大器器件之间也很重要。表1列举了几个某某仪器TI运算放大器的例子与其VICMR。“最大电源X围栏描述了分裂式电源和单电源括号内限制。由该表，我们清楚地知道各运算放大器的输入X围VICMR明显不同。根据器件的具体类型，VICMR可能会低于或者超出电源轨。因此，绝不要假设运算放大器可以接收特殊输入信号X围，除非在产品说明书规X中得到核实。表 1 几种不同运算放大器的VICMR举例值得一提的一种宽输入X围特例是“轨到轨输入运算放大器。尽管，顾名思义，它是一种输入涵盖整个电源轨X围的运算放大器，但并非所有轨到轨输入器件都如许多人设想的那样涵盖整个电源X围。许多轨到轨输入运算放大器确实涵盖了整个电源X
7、围例如：表1中的OPA333等，但有一些如此没有全覆盖，而其描述对人具有一定的误导性。另外，检查产品说明书中的规定输入X围至关重要。VICMR违规举例VICMR违规常见于单电源运算放大器应用中，这些应用的负轨通常为接地电压即0V，而正轨为正电压，例如：3.3V、5V或者更高。在这些应用中，输入信号X围一般不是非常宽，同时必须较好地理解输入信号和VICMR，以确保正确的运算放大器运行结果。如果违反VICMR，非理想输出行为可导致如低于预期电压电平的信号削波、输出信号电压变化、反相，或者输出过早地达到某个电源轨电压。为了更好地理解超出VICMR带来的影响，我们列举出了一些此类违规的例子。我们选择两
8、个不同VICMR规X的运算放大器，以说明这些影响。我们之所以选择这些器件，是因为它们具有轨到轨输出，可排除输出级带来的一些限制。图3所示单电源电压跟随器电路，用于获取两个器件的波形。所有数据均在25C室温下的实验台获取。图 3 用于评估VICMR的单电源电压跟随器电路例1作为第一个例子，我们选择一个TLC2272运算放大器，并通过VCC = 10V为其供电。产品说明书将其典型VICMRX围描述为25C条件下5V电源电压的0.3 to 4.2VX围。注意正电源轨附近的输入限制，即VCC以下.8V 或者VCC .8V)。本例中，我们使用了VCC = 10V，并且所得接近VCC输入限制估计为约9.2
9、V。为了测试该电路，我们将VCC/2 = 5V DC偏移的300 Hz正弦波应用于输入端。在VOUT出现变化以前，一直对AC幅值进展调节。如图4所示，当应用10 Vp-p输入时，VOUT在正轨附近出现一个经削波的信号，而非负轨附近。如果输入超出VCC 0.8V本例中为9.2V，这种正轨附近出现的非理想行为是我们能够预计到的。9.2V以下VIN电平和低至0V时，VOUT显示出正确的波形，正如我们所预期的那样。例2第二个例子中，我们在图3电压跟随器电路中使用一个TL971轨到轨输出运算放大器，但其结果不同。这里，我们通过一个5V单电源为运算放大器供电，这样便得到VCC = 5V。由产品说明书规X可
10、知，保证VICMRX围为1.15V到3.85V，即中间VCC/2大概为2.7 Vp-p。将一个1-kHz正弦波应用于2.5V的DC偏移。在观测到VOUT出现变化以前，不断将VIN幅值从200 mVp-p调节到更大级别。VIN位于X围中间即VCC/2 = 2.5V时，VOUT线性表现正常时VIN增加至2.7 Vp-p。随着VIN增加至约3.5 Vp-p中间为2.5V，VOUT继续跟随VIN，并表现出正确的运算放大器行为。注意，该线性行为好于我们根据产品说明书限制做出的VICMR预计，但其仍然超出了保证限制。VIN稍稍增加至3.52 Vp-p，VOUT便开始在正5V和负0V轨附近呈现非线性行为图5
11、。VIN进一步增加至4.2 Vp-p，明显超出VICMR。由于输入峰值在正轨附近超出限制，因此其上跳至正轨5V，并在VIN返回到某个可承受X围以前一直保持在该状态，最终VOUT信号出轨图6。随着输入降至负轨附近限制以下，VOUT信号表现出倒相，同时其跳至中轨2.5V，并在VIN增加到VICMRX围内某个可承受电压水平以前，一直通过偏压来跟随VIN。图 5 VIN = 3.52 Vp-p时TL971非线性输出行为开始端图 6 VIN = 4.2 Vp-p时TL971非线性输出行为这些例子明确，超出VICMR时不同类型的运算放大器可产生不同的非线性行为。尽管在第二个例子中产生了倒相，但我们需要注意
12、的是，违反VICMR时并非“所有运算放大器都会出现倒相它的产生只取决于具体的运算放大器。DC分析在前面所述例子中，我们利用一个AC信号来评估运算放大器电路的VICMR。另一种有用的测试方法是，将一个DC电压源作用于图3中电路的输入。DC输入变化时，输出电平也以类似方式变化，只是它不会随时间的推移而持续变化。根据电路的不同类型，在早期的运算放大器评估过程中，AC或DC分析或者两种分析一起使用可能会有所帮助。克制VICMR问题在设计过程的后期，如果您发现您无法满足运算放大器的VICMR要求怎么办呢？可能其他一些参数会是您应用的理想选择，而要修改器件是一件十分困难的事情。一个或多个如下选项或许可以作
13、为一种备选解决方案：(a) 如果输入幅值过大，请使用一个电阻分压器来让信号维持在正确的VICMRX围内。(b) 如果输入信号偏移存在问题，请尝试使用一个输入偏置或者DC偏移电路，以让输入信号保持在规定的运算放大器VICMRX围内。(c) 将器件改为轨到轨输入运算放大器，以满足所有其他要求。参考文献访问如下网址，下载免费版TINA-TI，它是这些例子中所使用的一种基于SPICE的模拟仿真程序：结论选择一种运算放大器时，请记住：输入共模电压X围是需要理解的众多最重要规X之一。如果器件的输入端无法承受输入信号的电平或者X围，那么您在输出端肯定会碰到问题。首先请仔细阅读本文，之后，当您的电路正确运行时如您预计的那样，您会为您自己感到高兴的！ /
