轨至轨运算放大器 rail to rail

http://www.360doc.com/content/10/1102/16/2285160_66006645.shtml

Rail to rail: 轨至轨，指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。

　　传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压范围一般都达不到电源，以运放为例，电源为+/-15V的运放，为确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够的共模抑制比），输入范围一般不要超过+/-10V，常温下也不要超过+/-12V；输出范围，负载10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻(600ohm)时只能保证+/-10V。这对器件的应用带来很多不便。

　　rail-to-rail的器件，一般都是低压器件（+/-5V 或 single +5V），输入输出电压都能达到电源（输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP互补输入结构。rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。

　　现在rail-to-rail的单电源模拟器件已形成系列（如MAXIM,AD,TI等），在许多对性能（精度）要求不高的场合，我们可以考虑全部采用单+5V甚至+2.7V的模拟器件来构成我们的系统，这样模拟电路和数字电路便可以公用一个电源（不过要注意电源去耦）。而且这类器件大量采用SOT封装，有利于设计出体积功耗都很小的产品。

rail-to-rail，即“轨至轨”，有时也称为“满摆幅”，是指输出(或输入)电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出电压范围可以从负电源电源到正电源电压。也可以说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动态范围有很大的影响，当 ΔV 很小时(10mV--100mV)，无失真动态范围最小电压为 VSS+ΔV，最大值为 VCC-ΔV，具有这样动态范围的运放就叫Rail to Rail运放。

理想状态下，器件的正常工作输入与输出电压范围可同时达到运放正负电源端的电压范围。实际上，器件很难达到真正的“轨至轨”。比较常见的“轨至轨”表现方式有，输入 rail-to-rail；输入达到或超过 Vee；输出比较接近 rail-to-rail；在同一器件上的输入/输出实现（或接近）rail-to-rail。这里需要特别强调，输入和输出不一定都能够承受rail-to-rail 的电压。尽管器件被指明是轨至轨，不代表器件的输入和输出都支持轨至轨。存在运放的输出或者输入不都支持轨至轨的可能，这样的话，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考 Dasheet 是否输入和输出是否都是轨至轨。

可以看到，一些器件制造商在产品简介或 Datasheets 的中过分强调宣传这一特性，但不容回避的现实是，当器件工作在这些边界附近时，性能均会有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比；Ro--输出内阻；Avd--差模开环增益等。

　　

传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A 等，其模拟引脚的电压摆幅一般都达不到电源的幅值。例如，以供电电源为 +/-15V的运算放大器为例，为安全工作并确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够高的 CMRR），要求运放的输入范围一般不要超过 +/-10V，在常温下也不要超过+/-12V；而对于输出范围，负载 RL>10kohm 时一般只有 +/-11V，小负载电阻 RL<600ohm 时只能保证 +/-10V。这对器件的应用带来很多不便。　　

具备 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低压器件（双电源 +/-5V 或单电源 +5V 供电），输入/输出电压都能达到电源值（有的输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP 互补输入结构。rail-to-rail 器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。

即使“轨至轨”器件的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和失真或翻转。例如，在单电源 +5V 供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了运算放大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。再比如，综合比较 TLC2274（轨到轨）与 OP07（非轨到轨）的输入输出范围，可以看到，TLC2274 的动态范围可达 4.8V，而 OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅 3V 左右。

轨至轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越问题，这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高 100mV 左右，实现了较高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动 A/D 转换器，而不会造成差分线性衰减。

大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。　　

在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。

该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。

图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。

思考题　(1)图3是一种增益为10、输入阻抗为10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图4所示)；(2)图5是单电源差分放大器。若输入电压为50Hz交流电压，V1＝1V，V2＝O．4V，它的输出电压该是多少呢？

http://blog.csdn.net/warmshepherd/article/details/3547649

有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求, 称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。由于它们独特的功能可工作在它们的输人and/or输出范围的极限值。在或接近地and/or接近正端（在几个毫伏之内）。这样就显著地增大了系统的动态范围。达到几乎整个电源电压范围。传统的运算放大器输入设计或者采用NPN双结型晶体管（BJT)---该型器件具有高带宽,较低的噪声和低漂移优点,但消耗的电流较大---或者

采用场效应结型晶体管（JFET）．该型器件具有非常高的输入阻抗,非常低的漏（偏置）电流和低失真优点。不幸的是,两种设计都要求在双电源即+和-电源下工作并且要求在每一端有2～3V的端边占用电压（heallroom）以便有效地工作在它们的线性范围之内。轨至轨放大器采用一种特殊的输入结构,采用背靠背NPN和PNP输入晶体管和双折式共射共基放大电路使输入可达到每一个电源端点的几个毫伏之内。传统运放的输出级使用一个按AB类工作安排的NPN-PNP射极跟随器对．输出摆幅受到每个晶体管的Vbe, 外加串联电阻上IR压降的限制。轨至轨放大器的输出从NPN-PNP对结构的集电极引出,输出摆幅仅受到晶体管Vcesat（该值可以仅为几个毫伏,这取决于集电极-发射极间的电流）、Ron和负
载电流的限制。一个轨至轨放大器特性好到什么程度的标志是它在零电压或接近电源电压时保持线性的能力。 简单说就是在整改量程范围内，运放都需要保持线性。

运算放大器的 rail-to-rail 特性

rail-to-rail，即“轨至轨”，有时也称为“满摆幅”，是指输出(或输入)电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出电压范围可以从负电源电源到正电源电压。也可以说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动态范围有很大的影响，当 ΔV 很小时(10mV--100mV)，无失真动态范围最小电压为 VSS+ΔV，最大值为 VCC-ΔV，具有这样动态范围的运放就叫Rail to Rail运放。

理想状态下，器件的正常工作输入与输出电压范围可同时达到运放正负电源端的电压范围。实际上，器件很难达到真正的“轨至轨”。比较常见的“轨至轨”表现方式有，输入 rail-to-rail；输入达到或超过 Vee；输出比较接近 rail-to-rail；在同一器件上的输入/输出实现（或接近）rail-to-rail。这里需要特别强调，输入和输出不一定都能够承受rail-to-rail 的电压。尽管器件被指明是轨至轨，不代表器件的输入和输出都支持轨至轨。存在运放的输出或者输入不都支持轨至轨的可能，这样的话，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考 Dasheet 是否输入和输出是否都是轨至轨。

可以看到，一些器件制造商在产品简介或 Datasheets 的中过分强调宣传这一特性，但不容回避的现实是，当器件工作在这些边界附近时，性能均会有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比；Ro--输出内阻；Avd--差模开环增益等。
　　
    传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A 等，其模拟引脚的电压摆幅一般都达不到电源的幅值。例如，以供电电源为 +/-15V的运算放大器为例，为安全工作并确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够高的 CMRR），要求运放的输入范围一般不要超过 +/-10V，在常温下也不要超过+/-12V；而对于输出范围，负载 RL>10kohm 时一般只有 +/-11V，小负载电阻 RL<600ohm 时只能保证 +/-10V。这对器件的应用带来很多不便。　　

具备 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低压器件（双电源 +/-5V 或单电源 +5V 供电），输入/输出电压都能达到电源值（有的输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP 互补输入结构。rail-to-rail 器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。

即使“轨至轨”器件的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和失真或翻转。例如，在单电源 +5V 供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了运算放大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。再比如，综合比较 TLC2274（轨到轨）与 OP07（非轨到轨）的输入输出范围，可以看到，TLC2274 的动态范围可达 4.8V，而 OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅 3V 左右。

轨至轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越问题，这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高 100mV 左右，实现了较高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动 A/D 转换器，而不会造成差分线性衰减。

Unity Gain Amplifier

Figure shows a buffer circuit. The rail-to-rail characteristic of the TLV246x makes the full operating voltage range of 0 to 5 V available for input and output signals. To reduce distortion both input resistors are used.

DAC ( Digital-to-Analog Converter ) With a Rail-to-Rail Output as an Adjustable Reference Voltage Source

The combination of the digital-to-analog converter TLC7524 and the rail-to-rail operational
amplifier TLV2771 shown in Figure 18, forms an 8-bit digital-to-analog converter powered by a
single-voltage supply of 5 V. The TLV2771 can drive a 600-Ω load, which allows the converter
to be used as a digitally adjustable reference voltage source for loads ≥ 600 Ω.
The TLC7524 supplies a digitally-adjustable output voltage of VREF = D/256. The reference
voltage VREF is generated with the TL1431 with an accuracy of 0.4 %. The TLV2771 works as
an impedance converter with a gain of 2. The total output voltage of the circuit is calculated as
follows:

VOUT = 2 * VREF ( D / 256 )