什么是 rail-to-rail運(yùn)算放大器？

有一類特殊的放大器具有非常低的端邊占用電壓(headroom)要求, 稱之謂輸出擺幅與供電電壓相同(軌至軌rail to rail)放大器。由于它們獨(dú)特的功能可工作在它們的輸人and/or輸出范圍的極限值。在或接近地and/or接近正端(在幾個(gè)毫伏之內(nèi))。這樣就顯著地增大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。達(dá)到幾乎整個(gè)電源電壓范圍。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器輸入設(shè)計(jì)或者采用NPN雙結(jié)型晶體管(BJT)---該型器件具有高帶寬,較低的噪聲和低漂移優(yōu)點(diǎn),但消耗的電流較大---或者采用場效應(yīng)結(jié)型晶體管(JFET).該型器件具有非常高的輸入阻抗,非常低的漏(偏置)電流和低失真優(yōu)點(diǎn)。 不幸的是,兩種設(shè)計(jì)都要求在雙電源即+和-電源下工作并且要求在每一端有2～3V的端邊占用電壓(heallroom)以便有效地工作在它們的線性范圍之內(nèi)。 軌至軌放大器采用一種特殊的輸入結(jié)構(gòu),采用背靠背NPN和PNP輸入晶體管和雙折式共射共基放大電路使輸入可達(dá)到每一個(gè)電源端點(diǎn)的幾個(gè)毫伏之內(nèi)。 傳統(tǒng)運(yùn)放的輸出級使用一個(gè)按AB類工作安排的NPN-PNP射極跟隨器對.輸出擺幅受到每個(gè)晶體管的Vbe, 外加串聯(lián)電阻上IR壓降的限制。軌至軌放大器的輸出從NPN-PNP對結(jié)構(gòu)的集電極引出,輸出擺幅僅受到晶體管Vcesat(該值可以僅為幾個(gè)毫伏,這取決于集電極-發(fā)射極間的電流)、Ron和負(fù)載電流的限制。 一個(gè)軌至軌放大器特性好到什么程度的標(biāo)志是它在零電壓或接近電源電壓時(shí)保持線性的能力。 簡單說就是在整改量程范圍內(nèi)，運(yùn)放都需要保持線性。

另一篇文章：

運(yùn)算放大器的 rail-to-rail 特性

rail-to-rail，即“軌至軌”，有時(shí)也稱為“滿擺幅”，是指輸出(或輸入)電壓范圍與電源電壓相等或近似相等。從輸入方面來講，其共模輸入電壓范圍可以從負(fù)電源電壓到正電源電壓;從輸出方面來講，其輸出電壓范圍可以從負(fù)電源電源到正電源電壓。也可以說，這是一個(gè)與供電電壓密切相關(guān)的特性，對器件的輸入或輸出無失真動(dòng)態(tài)范圍有很大的影響，當(dāng) ΔV 很小時(shí)(10mV--100mV)，無失真動(dòng)態(tài)范圍最小電壓為 VSS+ΔV，最大值為 VCC-ΔV，具有這樣動(dòng)態(tài)范圍的運(yùn)放就叫Rail to Rail運(yùn)放。

理想狀態(tài)下，器件的正常工作輸入與輸出電壓范圍可同時(shí)達(dá)到運(yùn)放正負(fù)電源端的電壓范圍。實(shí)際上，器件很難達(dá)到真正的“軌至軌”。比較常見的“軌至軌”表現(xiàn)方式有，輸入 rail-to-rail;輸入達(dá)到或超過 Vee;輸出比較接近 rail-to-rail;在同一器件上的輸入/輸出實(shí)現(xiàn)(或接近)rail-to-rail。這里需要特別強(qiáng)調(diào)，輸入和輸出不一定都能夠承受rail-to-rail 的電壓。盡管器件被指明是軌至軌，不代表器件的輸入和輸出都支持軌至軌。存在運(yùn)放的輸出或者輸入不都支持軌至軌的可能，這樣的話，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考 Dasheet 是否輸入和輸出是否都是軌至軌。

可以看到，一些器件制造商在產(chǎn)品簡介或 Datasheets 的中過分強(qiáng)調(diào)宣傳這一特性，但不容回避的現(xiàn)實(shí)是，當(dāng)器件工作在這些邊界附近時(shí)，性能均會(huì)有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比;Ro--輸出內(nèi)阻;Avd--差模開環(huán)增益等。

傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運(yùn)放、A/D、D/A 等，其模擬引腳的電壓擺幅一般都達(dá)不到電源的幅值。例如，以供電電源為 +/-15V的運(yùn)算放大器為例，為安全工作并確保性能(首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠高的 CMRR)，要求運(yùn)放的輸入范圍一般不要超過 +/-10V，在常溫下也不要超過+/-12V;而對于輸出范圍，負(fù)載 RL>10kohm 時(shí)一般只有 +/-11V，小負(fù)載電阻 RL<600ohm 時(shí)只能保證 +/-10V。這對器件的應(yīng)用帶來很多不便。

具備 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低壓器件(雙電源 +/-5V 或單電源 +5V 供電)，輸入/輸出電壓都能達(dá)到電源值(有的輸入甚至可以超過)。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PNP 互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)。rail-to-rail 器件的某些設(shè)計(jì)思想，對我們自己設(shè)計(jì)電路也可以提供一些有益的思路。

即使“軌至軌”器件的輸入或輸出電壓幅度即使達(dá)到電源電壓的上下限，此時(shí)放大器也不會(huì)像常規(guī)運(yùn)放那樣發(fā)生飽和失真或翻轉(zhuǎn)。例如，在單電源 +5V 供電的條件下，即使輸入、輸出信號的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信號也不會(huì)發(fā)生截止或飽和失真，從而大大增加了運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍。這在低電源供電的電路中尤其具有實(shí)際意義。再比如，綜合比較 TLC2274(軌到軌)與 OP07(非軌到軌)的輸入輸出范圍，可以看到，TLC2274 的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 4.8V，而 OP07(及其它非軌到軌特性的運(yùn)放)的動(dòng)態(tài)范圍僅 3V 左右。

軌至軌輸入/輸出特性，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，避免了補(bǔ)償輸入級常見的交越問題，這種設(shè)計(jì)降低了失真，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，甚至比比電源電壓高 100mV 左右，實(shí)現(xiàn)了較高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整體性能，非常適合驅(qū)動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器，而不會(huì)造成差分線性衰減。

擴(kuò)展閱讀：運(yùn)算放大器的基本原理