你是否超越了運放的輸入共模區(qū)間

　　終生與運放打交道的工程師們很可能都遇到過這類情況，運放出現(xiàn)了未曾預(yù)料的性能。運放的好處是它們的輸出通常會說明真相。很多情況下，如果有什么異常，都會明顯地體現(xiàn)在其輸出端。輸出級的極限可能造成不良的輸出波形。也許輸出端的過多電容會造成振蕩，或者輸出級的電壓擺幅小于電源電壓軌，因此在達(dá)到滿軌電壓以前就出現(xiàn)削峰。

　　運放的輸出端也會出現(xiàn)與輸出級毫無關(guān)系的奇怪現(xiàn)象。不良的輸出信號可能來自于器件輸入端的某些異常。運放最常見的問題之一是超出了器件的輸入共模區(qū)間。不過，到底什么是輸入的共模區(qū)間，超出這一區(qū)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的首要規(guī)格之一，但它可能帶來一些混淆。VICM描述了一個電壓電平，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(rèn)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(shù)應(yīng)用中，VIN+非常接近于VIN-，因為閉環(huán)負(fù)反饋會使一個輸入端密切跟蹤另一個輸入端，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，通常會假設(shè)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參數(shù)項是輸入共模區(qū)間VICMR，或更準(zhǔn)確地說，是輸入共模電壓區(qū)間。這個參數(shù)在數(shù)據(jù)表中很常見，它是電路設(shè)計者最應(yīng)關(guān)注的參數(shù)。VICMR定義了運放能正常工作的一個共模輸入電壓區(qū)間，并描述了輸入電壓與兩個電壓軌靠近的程度。

　　對VICMR的另一種認(rèn)識方式是，它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所確定的一個區(qū)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(dāng)運放超出VICMR時，器件就可能不能做正常的線性運行。因此，必須了解輸入信號的整個范圍區(qū)間，確保運放不超出VICMR。

　　另一個混淆點是：VICM與VICMR是非標(biāo)準(zhǔn)的縮寫，各家IC供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表中經(jīng)常使用不同的術(shù)語，如VCM、VIC和VCMR。因此，必須清楚自己正在查看的規(guī)格，它不是一個特定的輸入電壓，而是一個輸入電壓的范圍。

　　不同運放的VICMR變化

　　運放的設(shè)計規(guī)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(qū)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?yún)^(qū)間VICMR各不相同。根據(jù)器件的類型，VICMR可能進(jìn)入或超出電源軌。因此，永遠(yuǎn)不能假定某個運放可以接受某個輸入信號區(qū)間，除非驗證了數(shù)據(jù)表中的規(guī)格。

　　有一個寬輸入范圍的特例值得一提，這就是軌至軌輸入運放。盡管這個名稱暗示該運放的輸入可以跨越整個電源軌的區(qū)間，但并非像人們可能假設(shè)的那樣，所有軌至軌輸入器件都可以覆蓋整個電源范圍。很多軌至軌輸入的運放(如TI的OPA333)確實能跨越整個電源區(qū)間，而其它一些則達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，說明有誤導(dǎo)性。同樣，關(guān)鍵在于查看數(shù)據(jù)表指定的輸入?yún)^(qū)間規(guī)格。

　　違反VICMR的例子

　　違反VICMR的情況一般出現(xiàn)在使用3.3V、5V或其它低電壓應(yīng)用的單電源運放中。在這些應(yīng)用中，輸入信號區(qū)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(xiàn)未預(yù)料的輸出性能，如信號在低于預(yù)期電壓電平處削峰，輸出信號電壓漂移，相位反轉(zhuǎn)，或輸出過早地到達(dá)某個電源電壓軌。

　　為更好地理解違反VICMR的效果，下面給出一些實例。用兩只具有不同VICMR規(guī)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)。所有測試均在一個實驗臺上完成，室溫約為25°C。

　　第一個例子使用了一只VCC為10V的TLC2272運放。數(shù)據(jù)表顯示，它在25°C和5V電源電壓下的典型VICMR區(qū)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，在其輸入端加一個直流偏移為VCC電壓一半(或5V)的300Hz正弦波。調(diào)節(jié)交流幅度，直到看到VOUT有一個變化。當(dāng)施加10V峰峰值輸入時，VOUT顯示一個接近正電源軌的削峰信號，而不是接近負(fù)電源軌。這個接近正電源軌的不良性能就是預(yù)計輸入超過9.2V時的結(jié)果。對于0~9.2V之間的VIN，VOUT顯示和預(yù)期一樣的正確波形(圖4)。

　　第二個例子使用一只TL971軌至軌輸出的電壓跟隨器電路，但結(jié)果卻不同。此時，運放采用一個單5V電源。從數(shù)據(jù)表規(guī)格可知，有保證的VICMR區(qū)間跨越了1.15V~3.85V范圍，或中心在VCC/2的大約2.7V峰峰值。輸入端加的是一個直流偏移為2.5V的1kHz正弦波。將VIN的幅度從200mV峰峰值調(diào)向更高電平，直到看到VOUT的變化。

　　VIN中心在2.5V時，VIN增加到2.7V峰峰值，VOUT都有預(yù)期的線性特性。當(dāng)VIN增加到約3.5V峰峰值時，中心在2.5V，VOUT繼續(xù)跟隨VIN，表現(xiàn)出正確的運放特性。注意這個線性特性好于數(shù)據(jù)表對VICMR的限制，但仍然超出了保證的極限值。當(dāng)VIN增加到略高于3.52V峰峰值時，VOUT開始在接近正電源5V軌和負(fù)電源0V軌時表現(xiàn)出非線性特性(圖5)。VIN進(jìn)一步增加到4.2V峰峰值，明顯超出了VICMR。當(dāng)輸入峰值超過了近正電源軌的極限時，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(nèi)(圖6)。當(dāng)輸入跌到接近負(fù)電源軌的極限以下時，VOUT的信號表現(xiàn)出一個相位反轉(zhuǎn)，跳至中軌2.5V，并以一個偏移跟隨VIN，直到VIN增加到VICMR內(nèi)的一個可接受電壓值。

　　這些例子表明，不同的非線性特性可以源于不同類型超出VICMR的運放。雖然第二種情況中產(chǎn)生了相位反轉(zhuǎn)，但注意這個相位反轉(zhuǎn)并不出現(xiàn)在所有違反VICMR的運放中，它與運放有關(guān)。

　　這些例子用一個交流信號，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直流電壓源。當(dāng)改變直流輸入時，輸出電平會以一種類似的方式變化，而不是總在改變。根據(jù)電路的類型，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。

　　解決VICMR問題

　　如果在設(shè)計過程的晚期才發(fā)現(xiàn)運放無法滿足VICMR要求，該怎么辦?也許該器件的其它參數(shù)非常適合于你的應(yīng)用，難以改換器件。這時可能要考慮下列一個或多個選項。首先，如果輸入波幅過大，則要用一個電阻分壓器，將信號保持在正確的VICMR區(qū)間內(nèi)。其次，如果輸入信號的偏移有問題，則嘗試使用一個輸入偏置或直流偏移電路，使輸入信號置于運放VICMR區(qū)間規(guī)格內(nèi)。第三，可以嘗試換用一種能滿足所有其它要求的軌至軌輸入運放。