【導讀】有工程師表示遇到過(guò)，用示波器采集運放的輸出波形時(shí)，在某一輸入電壓處，原本很完美的正弦波出現了一點(diǎn)失真的情況，但不知是運放的原因還是其他外在原因。在了解工程師使用的運放類(lèi)型之后，筆者得出結論：運放出現了輸入的交越失真現象。
有工程師表示遇到過(guò)，用示波器采集運放的輸出波形時(shí)，在某一輸入電壓處，原本很完美的正弦波出現了一點(diǎn)失真的情況，但不知是運放的原因還是其他外在原因。在了解工程師使用的運放類(lèi)型之后，筆者得出結論：運放出現了輸入的交越失真現象。
大部分工程師可能對這個(gè)現象很陌生，甚至沒(méi)有聽(tīng)過(guò)這個(gè)名詞。本文將會(huì )系統且完整地介紹運放的交越失真：它產(chǎn)生的原因、運放的基本工藝架構對交越失真的影響，以及針對交越失真我們如何進(jìn)行改善。
運放基于工藝的分類(lèi)
運放基于工藝方面基本可以分為：Bipolar、JFET、CMOS三種架構類(lèi)型，也有基于以上三種類(lèi)型衍生出來(lái)的BiFET和CMOS zero-drift架構，每種架構各有各的優(yōu)點(diǎn)，本章節主要是針對三種基本的架構進(jìn)行闡述。
Bipoalr輸入架構
圖1 ADA4806-1內部輸入架構
上圖（圖1）是ADA4806-1的輸入架構，信號過(guò)來(lái)直接進(jìn)入雙極結型PNP管，這是典型的Bipolar架構；三極管是電流控制電流型器件，驅動(dòng)能力比較強，速度快，耐壓高，噪聲比較小。
因為輸入極只有一對PNP管，所以ADA4806-1的輸入只可以達到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.1V到+4V。
JFET輸入架構
圖2 ADA4622-1內部輸入架構
上圖（圖2）是ADA4622-1內部的輸入架構，信號輸入后直接進(jìn)入一對JFET管子。FET是電壓控制電流型器件，輸入阻抗特別高，是電壓驅動(dòng)型器件，基本不需要輸入電流，輸入回路比較簡(jiǎn)單。
因為輸入極只有一對JFET管，所以ADA4622-1的輸入只可以達到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.2V到+4V。
CMOS輸入架構
圖3 ADA4530-1內部輸入架構
上圖（圖3）是ADA4530-1內部輸入架構，信號輸入后直接進(jìn)入一對MOSFET管子。同樣作為電壓控制型器件，MOSFET相比JFET而言，輸入阻抗更高，因此做出的運放在失調電流以及偏置電流方面的參數更好。MOSFET對于靜電放電抵抗能力不佳，這類(lèi)器件在運放電路中，前端通常需要添加上二極管（如上圖圖3黃框所示）進(jìn)行保護，MOSFET的溝道在表面，不像JFET在體內，故JFET型輸入的運放在噪聲方面性能更優(yōu)異。
上圖（圖3）ADA4530-1輸入級只有一對MOSFET管，所以輸入只能達到下軌，在單4.5V供電的情況下，輸入電壓范圍0-3V。
以上介紹運放的三種基本架構中，多次提到一個(gè)參數：輸入電壓范圍。這關(guān)系到運放的一個(gè)性能：軌到軌 (Rail To Rail)，包含了輸入軌到軌以及輸出軌到軌。在實(shí)際應用中，工程師很關(guān)心輸入電壓范圍該參數。因為當前很多強調低功耗的應用，需要低電壓供電。比如：對于3.3V供電系統來(lái)說(shuō)，如果運放輸入不能軌到軌，輸入的電壓動(dòng)態(tài)范圍會(huì )被壓縮到很低。
軌到軌運放
所謂軌對軌 (Rail To Rail) 運算放大器，指的是放大器輸入和輸出電壓擺幅非常接近或幾乎等于電源電壓值。
但是上面所闡述的三種架構都沒(méi)有真正地達到軌到軌，下文會(huì )分享兩種全新的架構，闡述如何達到軌到軌。
Bipolar軌到軌輸入架構
圖4 ADA4099內部輸入架構
CMOS軌到軌輸入架構
圖5 ADA4505內部輸入架構
我們不難發(fā)現，與前文三種不支持軌到軌的輸入架構相比，軌到軌輸入運放在輸入的時(shí)候額外多了一對管子，無(wú)論是三極管還是MOS管。
對于Bipolar型來(lái)說(shuō)，NPN輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴展至正電源軌。PNP輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴展至負電源軌。實(shí)際上，在兩個(gè)相對的電源方向上，Bipolar型的運放很難絕對做到軌到軌，因為需要保證一定的裕量使三極管處于正向放大區。
對于FET型來(lái)說(shuō)，和上面Bipolar型類(lèi)似；但是FET管子的導通壓降很低，可以使輸入電壓范圍幾乎接近供電電壓。
運放的交越失真
從上文的闡述可以得知：為了達到軌到軌，芯片設計工程師在設計芯片時(shí)，會(huì )采用兩對極性相反的管子。在實(shí)際工作中兩對管子交替工作，當兩對管子切換時(shí)，會(huì )出現失真現象，我們把這個(gè)現象稱(chēng)為運放的輸入交越失真。我們通過(guò)下圖（圖6）深入地了解該現象：
圖6 ADA4807 Vos和輸入共模電壓關(guān)系
ADA4807是一款支持軌到軌輸入輸出的高速低噪精密運算放大器，在±5V供電的情況下，大概在4V時(shí)，我們可以看到Vos有一個(gè)階躍。這也好理解：在輸入電壓比較低的時(shí)候，使用PNP管子工作，隨著(zhù)輸入電壓的增大，NPN管子開(kāi)始介入，兩種管子由于本身的特性以及制造工藝的不同導致了這個(gè)結果。
圖7 交越失真現象
上圖（ 圖7）顯示了運放出現交越失真現象，在要求比較高的精密測量場(chǎng)合中，該交越失真現象是不允許的，那該如何解決這個(gè)問(wèn)題？
ADI 處理交越失真問(wèn)題的解決方案
方案一 調節三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)
圖8 AD8027/AD8028調節靜態(tài)工作點(diǎn)
這種方式并不是從根本上改善了交越失真，而是通過(guò)外部的輸入電壓介入，改變三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，將交越失真點(diǎn)向輸入電壓正軌或者負軌進(jìn)行搬移，適用于輸入電壓不要求滿(mǎn)軌的情況。
方案二 內置電荷泵預充電技術(shù)
圖9 AD8505內置電荷泵消除交越失真
內部電荷泵用一個(gè)高電壓，可以使輸入信號始終經(jīng)過(guò)一個(gè)差分對而不跳到另外一個(gè)。某種意義上，是從根本消除了交越失真。
圖10 電荷泵技術(shù)改善之前的Vos和Vcm關(guān)系
圖11 電荷泵技術(shù)改善之后的Vos和Vcm關(guān)系
方案三 零漂移 zero-drift架構
圖12 ADA4528-1 Chopping+ACFB架構
零漂移架構，從另一個(gè)角度來(lái)解決交越失真問(wèn)題：允許有交越失真，但是可以通過(guò)電路校正。
圖13 ADA4528-1 Vos與Vcm關(guān)系
總結
工程師在進(jìn)行芯片設計時(shí)，為了實(shí)現低功耗，采用了低電壓供電；為了實(shí)現更大的輸入電壓范圍，出現了軌到軌設計。再到發(fā)現交越失真問(wèn)題并想辦法解決問(wèn)題，技術(shù)結合實(shí)際，ADI運算放大器正是在這種發(fā)現問(wèn)題與解決問(wèn)題的過(guò)程中一步步發(fā)展。
通過(guò)上面的闡述，相信大家不僅明白了運放的交越失真，對運放的工藝制造以及芯片設計、設計過(guò)程中如何更好地選擇內部器件也有了更深入的了解。
參考資料
ADI | 混合信號和數字信號處理IC | 亞德諾半導體 (analog.com)
賽爾吉歐·佛朗哥《基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計》西安交通大學(xué)出版社
畢查德·拉扎維《模擬CMOS集成電路設計》西安交通大學(xué)出版社
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