- 什么是輸入的共模區間
- 超出共模區間的影響
- 不同運放的VICMR變化
- 違反VICMR的例子
- 解決VICMR問(wèn)題
為自己的電路挑選運放要通過(guò)一個(gè)選擇過(guò)程，其中要考慮到最關(guān)鍵的應用參數。審查的參數可能包括：電源電壓、增益帶寬積、轉換速率，以及輸入噪聲電壓。另外還必須考慮輸入共模區間，這對所有運放電路都是一個(gè)關(guān)鍵參數。
終生與運放打交道的工程師們很可能都遇到過(guò)這類(lèi)情況，運放出現了未曾預料的性能。運放的好處是它們的輸出通常會(huì )說(shuō)明真相。很多情況下，如果有什么異常，都會(huì )明顯地體現在其輸出端。輸出級的極限可能造成不良的輸出波形。也許輸出端的過(guò)多電容會(huì )造成振蕩，或者輸出級的電壓擺幅小于電源電壓軌，因此在達到滿(mǎn)軌電壓以前就出現削峰。
運放的輸出端也會(huì )出現與輸出級毫無(wú)關(guān)系的奇怪現象。不良的輸出信號可能來(lái)自于器件輸入端的某些異常。運放最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是超出了器件的輸入共模區間。不過(guò)，到底什么是輸入的共模區間，超出這一區間的影響是什么？
輸入共模電壓VICM是一位工程師在考慮運放輸入時(shí)的首要規格之一，但它可能帶來(lái)一些混淆。VICM描述了一個(gè)電壓電平，它是反相和非反相輸入端的平均電壓(圖1)。通常用下式表示：
認識VICM還有一種方式，即它是非反相和反相輸入端VIN+與VIN-的公共的電壓電平。在大多數應用中，VIN+非常接近于VIN-，因為閉環(huán)負反饋會(huì )使一個(gè)輸入端密切跟蹤另一個(gè)輸入端，使VIN+與VIN-之間的壓差接近于零。很多共模電路都是這種情況，包括電壓跟隨器，以及反相和非反相配置。這些情況下，通常會(huì )假設VIN+=VIN-=VICM，因為這些電壓幾乎是相同的。
描述運放輸入的另一個(gè)參數項是輸入共模區間VICMR，或更準確地說(shuō)，是輸入共模電壓區間。這個(gè)參數在數據表中很常見(jiàn)，它是電路設計者最應關(guān)注的參數。VICMR定義了運放能正常工作的一個(gè)共模輸入電壓區間，并描述了輸入電壓與兩個(gè)電壓軌靠近的程度。
對VICMR的另一種認識方式是，它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所確定的一個(gè)區間，如下式所示：
其中，VICMRMIN是相對VCC-電壓軌的極限值，VICMRMAX是相對于VCC+電壓軌的極限值(圖2)。
當運放超出VICMR時(shí)，器件就可能不能做正常的線(xiàn)性運行。因此，必須了解輸入信號的整個(gè)范圍區間，確保運放不超出VICMR。
另一個(gè)混淆點(diǎn)是：VICM與VICMR是非標準的縮寫(xiě)，各家IC供應商的數據表中經(jīng)常使用不同的術(shù)語(yǔ)，如VCM、VIC和VCMR。因此，必須清楚自己正在查看的規格，它不是一個(gè)特定的輸入電壓，而是一個(gè)輸入電壓的范圍。
不同運放的VICMR變化
運放的設計規格與所使用的工藝技術(shù)決定了器件的輸入級。例如，一只CMOS運放的輸入級不同于雙極運放的輸入級，也不同于JFET運放。了解這些運放間存在的差異非常重要。
表1是德州儀器公司幾款運放及其VICMR。最大電源區間欄中描述了雙電源和單電源的極限。表中可以明顯看到，不同運放的輸入區間VICMR各不相同。根據器件的類(lèi)型，VICMR可能進(jìn)入或超出電源軌。因此，永遠不能假定某個(gè)運放可以接受某個(gè)輸入信號區間，除非驗證了數據表中的規格。
有一個(gè)寬輸入范圍的特例值得一提，這就是軌至軌輸入運放。盡管這個(gè)名稱(chēng)暗示該運放的輸入可以跨越整個(gè)電源軌的區間，但并非像人們可能假設的那樣，所有軌至軌輸入器件都可以覆蓋整個(gè)電源范圍。很多軌至軌輸入的運放(如TI的OPA333)確實(shí)能跨越整個(gè)電源區間，而其它一些則達不到標準，說(shuō)明有誤導性。同樣，關(guān)鍵在于查看數據表指定的輸入區間規格。
違反VICMR的例子
違反VICMR的情況一般出現在使用3.3V、5V或其它低電壓應用的單電源運放中。在這些應用中，輸入信號區間一般都是狹窄的，必須知道輸入信號和VICMR，才能確保運放的正常運行。一只違反了VICMR的運放可能出現未預料的輸出性能，如信號在低于預期電壓電平處削峰，輸出信號電壓漂移，相位反轉，或輸出過(guò)早地到達某個(gè)電源電壓軌。
為更好地理解違反VICMR的效果，下面給出一些實(shí)例。用兩只具有不同VICMR規格的運放可演示這些效果。這些器件都有軌至軌的輸出，排除了輸出級造成的限制。一個(gè)單電源的電壓跟隨器電路用于兩只器件的評估(圖3)。所有測試均在一個(gè)實(shí)驗臺上完成，室溫約為25°C。
第一個(gè)例子使用了一只VCC為10V的TLC2272運放。數據表顯示，它在25°C和5V電源電壓下的典型VICMR區間為-0.3V~+4.2V。注意輸入極限接近于正電源軌，比VCC低0.8V。得到的近VCC輸入極限大約為9.2V。
測試電路時(shí)，在其輸入端加一個(gè)直流偏移為VCC電壓一半(或5V)的300Hz正弦波。調 節交流幅度，直到看到VOUT有一個(gè)變化。當施加10V峰峰值輸入時(shí)，VOUT顯示一個(gè)接近正電源軌的削峰信號，而不是接近負電源軌。這個(gè)接近正電源軌的不良性能就是預計輸入超過(guò)9.2V時(shí)的結果。對于0~9.2V之間的VIN，VOUT顯示和預期一樣的正確波形(圖4)。
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第二個(gè)例子使用一只TL971軌至軌輸出的電壓跟隨器電路，但結果卻不同。此時(shí)，運放采用一個(gè)單5V電源。從數據表規格可知，有保證的VICMR區間跨越了1.15V~ 3.85V范圍，或中心在VCC/2的大約2.7V峰峰值。輸入端加的是一個(gè)直流偏移為2.5V的1kHz正弦波。將VIN的幅度從200mV峰峰值調向更高電平，直到看到VOUT的變化。
VIN中心在2.5V時(shí)，VIN增加到2.7V峰峰值，VOUT都有預期的線(xiàn)性特性。當VIN增加到約3.5V峰峰值時(shí)，中心在2.5V，VOUT繼續跟隨VIN，表現出正確的運放特性。注意這個(gè)線(xiàn)性特性好于數據表對VICMR的限制，但仍然超出了保證的極限值。當VIN增加到略高于3.52V峰峰值時(shí)，VOUT開(kāi)始在接近正電源5V軌和負電源0V軌時(shí)表現出非線(xiàn)性特性(圖5)。VIN進(jìn)一步增加到4.2V峰峰值，明顯超出了VICMR。當輸入峰值超過(guò)了近正電源軌的極限時(shí)，VOUT的信號輸出超出電源軌，跳到正電源軌5V以上，并停留在這里，直到VIN回到可接受范圍內(圖6)。當輸入跌到接近負電源軌的極限以下時(shí)，VOUT的信號表現出一個(gè)相位反轉，跳至中軌2.5V，并以一個(gè)偏移跟隨VIN，直到VIN增加到VICMR內的一個(gè)可接受電壓值。
這些例子表明，不同的非線(xiàn)性特性可以源于不同類(lèi)型超出VICMR的運放。雖然第二種情況中產(chǎn)生了相位反轉，但注意這個(gè)相位反轉并不出現在所有違反VICMR的運放中，它與運放有關(guān)。
這些例子用一個(gè)交流信號，評估運放電路的VICMR。另一種有用的測試是給圖3中的電路輸入端加一個(gè)直流電壓源。當改變直流輸入時(shí)，輸出電平會(huì )以一種類(lèi)似的方式變化，而不是總在改變。根據電路的類(lèi)型，在運放的早期評估中，可以采用交流分析或直流分析，也可兩者兼用。
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解決VICMR問(wèn)題
如果在設計過(guò)程的晚期才發(fā)現運放無(wú)法滿(mǎn)足VICMR要求，該怎么辦？也許該器件的其它參數非常適合于你的應用，難以改換器件。這時(shí)可能要考慮下列一個(gè)或多個(gè)選項。首先，如果輸入波幅過(guò)大，則要用一個(gè)電阻分壓器，將信號保持在正確的VICMR區間內。其次，如果輸入信號的偏移有問(wèn)題，則嘗試使用一個(gè)輸入偏置或直流偏移電路，使輸入信號置于運放VICMR區間規格內。第三，可以嘗試換用一種能滿(mǎn)足所有其它要求的軌至軌輸入運放。
在選擇一款運放時(shí)，記住輸入共模電壓區間是最需懂得的重要規格。如果器件的輸入無(wú)法接受輸入信號的電平或范圍，則輸出端就會(huì )遇到麻煩。先處理好這個(gè)重要細節，則以后當電路正確工作時(shí)，你就會(huì )贊賞自己的選擇。
