【導讀】可能要用，這取決于傳感器輸出信號是否會(huì )迫使運算放大器達到一個(gè)接近供電軌的電壓。例如，若要通過(guò)一個(gè)精密10 Ω并聯(lián)電阻監控0 mA至500 mA的負載電流，則最大輸出電壓將是5 V。如果放大器電源電壓為5 V，那么您將需要選擇一個(gè)具有軌到軌輸入電壓范圍的放大器。
問(wèn)題:
我在給一個(gè)精密傳感器模擬前端設計信號調理模塊，我是否應該使用軌到軌輸入的運放？
答案:
可能要用，這取決于傳感器輸出信號是否會(huì )迫使運算放大器達到一個(gè)接近供電軌的電壓。例如，若要通過(guò)一個(gè)精密10 Ω并聯(lián)電阻監控0 mA至500 mA的負載電流，則最大輸出電壓將是5 V。如果放大器電源電壓為5 V，那么您將需要選擇一個(gè)具有軌到軌輸入電壓范圍的放大器。
許多運放的經(jīng)典輸入級為晶體管差分對。為使運算放大器放大輸入端的共模電壓(VCM)信號，VCM和電源電壓之間必須有足夠的裕量。如果VCM太接近任一供電軌，以至于輸入對缺乏裕量，則輸入失調電壓和其他重要參數會(huì )降級，引起精度損失，如圖1所示。正是這些裕量要求規定了運放的額定輸入電壓范圍(IVR)。業(yè)界的一些最高精度放大器（如 ADA4610），即采用這種經(jīng)典輸入結構。只要輸入電壓遠離供電軌，它便有出色的精度。
圖1.ADA4610典型輸入失調電壓與共模電壓的關(guān)系
如果傳感器的輸出信號不包括V+軌，但其范圍會(huì )一路低到負供電軌，則它需要一個(gè)能接受VCM也低至V–的放大器。此類(lèi)運放稱(chēng)為單電源運放，因為將V–接地后，只需要一個(gè)電壓源。單電源運放采用特殊電路拓撲，支持放大接近V–軌的信號。
類(lèi)似地，有些應用要求運放能在V–到V+的輸入范圍內保持高精度。這稱(chēng)為軌到軌輸入(RRI)運算放大器，此類(lèi)運放通常有兩個(gè)差分對，一個(gè)軌一對。ADA4661是RRI運放的經(jīng)典范例。如圖2所示，它在整個(gè)電源電壓范圍內具有出色的精度。
圖2.ADA4661：軌到軌運算放大器，典型輸入失調電壓與共模電壓的關(guān)系
當輸入由兩個(gè)差分對組成以實(shí)現軌到軌輸入時(shí)，既有利也有弊。當VCM從一個(gè)對躍遷至另一個(gè)對時(shí)，會(huì )有一個(gè)小交越失真反映在失調電壓中。對于A(yíng)DA4661，您可以看到失真幅度約為50 μV，發(fā)生在V+軌以下大約2 V。雖然這在某些系統中可能不嚴重，但在其他系統中，您可能需要避免此失真。一種解決方案是通過(guò)系統設計讓輸入電壓保持在交越電壓以下。在圖2中，它仍會(huì )提供16 V以上的IVR。電源電壓較低（例如5 V）的應用會(huì )帶來(lái)挑戰，因為要放棄足夠的IVR（例如2 V），必然會(huì )大幅降低輸入信號的電壓范圍。在這種應用中，我們需要其他類(lèi)型的輸入級。
ADA4500 通過(guò)單個(gè)輸入對與一個(gè)電荷泵的結合來(lái)消除交越，從而消除交越失真。電荷泵提供更高的內部電壓，使輸入對有足夠的電源電壓，即使運放濾波器位于供電軌也無(wú)妨。利用這種結構，傳感器可以將運放輸入電壓驅動(dòng)到整個(gè)電源電壓范圍內而不會(huì )有交越失真，如圖3所示。在這樣做的同時(shí)，它提供95 dB的保證共模抑制性能和120 μV的輸入失調電壓（25°C時(shí)），即使輸入信號達到供電軌也不影響其出色的精度。
關(guān)于運放輸入結構和利弊的詳細討論，請參閱小型指南MT-035 "運算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問(wèn)題" 以及下面列出的其他參考資料。
圖3.ADA4500軌到軌運算放大器消除整個(gè)電源范圍內的失真
表1.從經(jīng)典軌到軌運放中選擇精密運放（所有值的單位均為V）
參考文獻
ADI公司小型指南MT-035 "運算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問(wèn)題"
Ardizzoni, John. "單電源放大器——聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但確實(shí)如此嗎？?" 模擬對話(huà)，第38卷，2008年10月。
Ardizzoni, John. "放大器裕量是否束縛了您的手腳？" 模擬對話(huà)，第62卷，2010年10月。
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