Part 01

前言

說起運(yùn)算放大器，我們經(jīng)常會(huì)聽到一個(gè)詞匯：“軌至軌”，英文叫：Rail-to-Rail，在硬件工程師筆試題目中也是一個(gè)高頻詞匯，不懂的人只能說這是嘛玩意啊？為了讓大家進(jìn)考場心里不慌，今天就來詳細(xì)說說運(yùn)算放大器的軌至軌參數(shù)。

Part 02

軌至軌的定義

什么是軌至軌呢？這里的“軌”可不是鐵軌，而是電源軌，因?yàn)檫\(yùn)放要想正常工作，就需要供電，“正”電源進(jìn)，“負(fù)”電源出，這一正一負(fù)兩個(gè)電源電就是兩條軌，所以軌至軌中的兩個(gè)軌就是對(duì)應(yīng)為運(yùn)放供電的一正一負(fù)兩個(gè)電源。

“軌至軌”（Rail-to-Rail）在運(yùn)算放大器中指的是運(yùn)放的輸入和輸出信號(hào)電壓能夠達(dá)到電源電壓的兩個(gè)極限值（電源軌）。雙電源供電的運(yùn)放的電源軌指的是它的正電源電壓和負(fù)電源電壓，或者對(duì)于單電源供電來說，是正電源和GND電壓。

軌至軌包含兩大部分：輸入軌至軌和輸出軌至軌，接下來就分別介紹一下。

Part 03

軌至軌輸入 VS軌至軌輸出

1. 軌至軌輸入

普通運(yùn)放的輸入級(jí)通常采用一組單一類型的差分輸入晶體管，比如雙極型運(yùn)放可能使用NPN或PNP晶體管，而CMOS運(yùn)放可能只使用一種類型的 MOSFET（P型或 N型）。這些輸入晶體管的導(dǎo)通需要特定的電壓范圍，如果使用的是NPN晶體管，輸入電壓必須高于負(fù)電源軌一定的電壓（如一個(gè) Vbe），否則晶體管無法正常工作。如果使用PNP晶體管，輸入電壓必須低于正電源軌一定的電壓，否則晶體管飽和或失去導(dǎo)通能力。由于輸入晶體管需要一定的偏置電壓才能正常工作，因此輸入電壓范圍無法覆蓋從負(fù)電源軌到正電源軌。

然后聰明的工程師就想到，既然用一種類型的晶體管做不到輸入電壓范圍覆蓋從負(fù)電源軌到正電源軌，那把兩種類型的管子組合一起一起用不就行了，通過使用兩組互補(bǔ)的差分輸入晶體管（比如P型和N型MOSFET）來覆蓋整個(gè)輸入電壓范圍，使得運(yùn)放的輸入信號(hào)電壓可以從負(fù)電源軌到正電源軌而不出現(xiàn)失真。當(dāng)輸入信號(hào)電壓接近負(fù)電源軌（即接近地）時(shí)，P型MOS管導(dǎo)通，輸入信號(hào)通過P型MOS管進(jìn)行放大。當(dāng)輸入信號(hào)電壓接近正電源軌時(shí)，N型MOS管導(dǎo)通，輸入信號(hào)通過N型MOS管進(jìn)行放大，比如下圖這種架構(gòu)。

2. 軌至軌輸出

普通運(yùn)算放大器的輸出受到限制，輸出電壓無法達(dá)到正電壓軌或負(fù)電壓軌。普通運(yùn)放的輸出級(jí)通常由雙極性晶體管（BJT）或MOSFET組成。這些晶體管在輸出時(shí)，需要一定的電壓才能維持正常的導(dǎo)通狀態(tài)：對(duì)于雙極性晶體管的輸出級(jí)，例如NPN和PNP晶體管，它們需要至少一個(gè) VCE(sat)的電壓降（通常約0.2V到1V不等）來保持導(dǎo)通。也就是說，輸出電壓在接近正電源軌時(shí)，不能超過正電源軌電壓減去一個(gè) VCE(sat)，在接近負(fù)電源軌（接地）時(shí)，輸出電壓不能低于負(fù)電源軌加上一個(gè) VCE(sat)

“軌到軌輸出”意味著運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅可以接近其正電壓軌V+和負(fù)電壓軌V-，通常在V+或V-的10mV至100mV范圍內(nèi)。這特性對(duì)于單電源供電的運(yùn)放來說比較重要，為什么這么說呢？因?yàn)閷?duì)于單電源供電的運(yùn)放來說，由于電源電壓范圍相比雙電源供電減半了，其負(fù)電壓軌V-直接接到了GND，那么運(yùn)放輸入為0V時(shí)，我們期望的是輸出也為0V，但是單電源供電的普通運(yùn)放受限于運(yùn)放至軌電壓影響，其輸出可能達(dá)到0.5V之多，這是無法接受的，所以一定要注意！