运算放大器电压范围—输入和输出之解疑释惑

作者：ti专家 Bruce Trump
我们常常会收到一些与电源有关的应用问题，询问我们运算放大器的输入和输出电压范围到底有多大。既然大家存在这方面的疑惑，那么我们就利用这篇文章来为大家解疑释惑：
首先，常见运算放大器并没有接地端。标准运算放大器“不知道”接地的位置，因此它也就无从知道其工作电源是一个双电源（±）还是一个单电源。只要电源输入和输出电压在其工作范围以内，就不会出问题。
下面是我们需要考虑的三个重要电压范围：
1、总电源电压范围。它是两个电源端之间的总电压。例如，30V 的总电压范围为 ±15V。再如，某个运算放大器的工作电压范围可能为 6V 到 36V。在低压极端条件下，它可能为 ±3V 或者 +6V。在高压极端条件下，它可能为 ±18V 或者 +36V，甚至是 -6V/+30V。没错，如果您留心阅读下面的第 2 点和第 3 点，会发现使用非平衡电源也是可以的。
2、输入共模电压范围（C-M 范围）一般是相对于正负电源电压而言的，如图 1 所示。使用类似于方程式的方法表示时，假设运算放大器的 C-M 范围可以描述为负轨以上 2V 到正轨以下 2.5V，表示方法为：(V-)+2V 到 (V+)–2.5V。
3、同样，输出电压范围（即输出动态范围性能）是相对于轨电压而言的。这时，它可以表示为 (V-)+1V 到 (V+)–1.5V。
这些例子（图 1、2和3）可以运用一个 G=1 缓冲器配置结构进行说明。重点是，图 1 所示例子的输出范围大小被限定为负轨 2V 和正轨 2.5V，原因是输入 C-M 范围受限。在高增益条件下，可能会需要配置这种运算放大器，以达到其最大输出电压范围。

图 1 所示的例子是双±电源常用的运算放大器典型结构。虽然我们不把它称作“单电源”，但是它的确可以通过将电源保持在规定范围内实现单电源工作。 图 2 显示了一种所谓的单电源运算放大器。它拥有一个 C-M 范围，该范围可以扩展至负轨，但通常会稍低于负轨。这样，它便可以应用于更多电压接近零的电路中。因此，尽管不被称为“单电源”的运算放大器可以用于某些单电源电路中，但真正的单电源型运算放大器在这些应用中则更加常见。

在这种 G=1 缓冲器电路中，这种运算放大器可从 V-轨（受限于输出大小）得到 0.5V 的输出动态范围，并从 V-轨（受限于输入 C-M 范围）得到 2.2V 的输出动态范围。 图 3 显示了一个轨至轨运算放大器。它工作时，输入电压可以等于甚至略微大于两个电源电压轨，如图 3 所示。轨至轨输出意味着，输出电压可以非常接近于轨，但通常在电源轨的 10mV 到 100mV 范围内。一些运算放大器标声称只有一个轨至轨输出，缺少图 3 所示输入特性。轨至轨运算放大器用于单 5V 电源和单 5V 以下电源的情况非常普遍，因为它们可在有限电源电压范围下最大化信号电压输出的性能。

轨至轨运算放大器非常诱人，因为它们放宽了信号电压限制，但是，它们并非总是我们的最佳选择。同我们生活中的其他选择一样，它在其他性能方面通常会有一些折扣。但是，这同时就是你作为一名模拟设计人员的价值所在。我们的生活充满了各种复杂的问题和选择，但我们仍然对它充满热爱。