您是否正面临运算放大器输入共模范围超出的问题?

2013年9月30日 22:28
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根据一些对您的应用最为重要的参数,为您的电路选择一个运算放大器(op amp),需要一个复杂的过程。您查看的一些参数可能会包括电源电压、增益带宽积、转换速率和输入噪声电压等等。
 
您还说明了输入共模范围,对于您的电路中所有运算放大器应用来说,它都是一种重要的关键参数,是这样吧?如果您说“不是”,那么我们强烈推荐您阅读本文。即使您的答案是肯定的,您仍然会发现这篇文章很有帮助。
 
那些在其整个职业生涯都与运算放大器打交道的工程师们,可能都碰到过运算放大器工作异常的情况。好的一方面是运算放大器输出通常会说明情况。很多时候,如果情况并不“那么好”,其会在输出引脚以一种明显的方式表现出来。非理想输出波形可由输出级的诸多限制因素引起。我们可能会观测到输出端过多电容引起的振荡。否则,在达到全轨电压之前可能会出现削波,因为输出级被限制在低于电源轨电压的电压摆动。
 
运算放大器输出端出现与输出级无关的异常行为也是可能的。有时,非理想输出信号可能会产生自器件输入端异常。最常见的运算放大器问题是超出器件输入共模范围。但是,“输入共模范围”到底是什么,而超出这一范围又会产生什么影响呢?
 
输入共模范围定义
谈及运算放大器输入时,输入共模电压(VICM)是工程师首先会想到的一个术语,但其可能会带来一定的初始混淆。VICM描述了一个特殊的电压电平,其被定义为反相和非反相输入引脚(图1)的平均电压。
 
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图1运算放大器的输入共模电压
 
它常常被表示为:
VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.
思考VICM的另一种方法是,它是非反相和反相输入即VIN (+)和VIN (–)常见的电压电平。事实证明,在大多数应用中,VIN (+)都非常接近于VIN (–),因为闭环负反馈使一个输入引脚紧跟另一个,这样VIN (+)和VIN (–)之间的差便接近于零。T
 
对许多常见电路而言确是这样一种情况,其包括电压跟随器、反相和非反相配置。在这些情况下,我们常常假设VIN (+) = VIN (–) = VICM,因为这些电压大约相等。
 
用于描述运算放大器输入的另一个术语是“输入共模范围”(VICMR),或者更准确的说是“输入共模电压范围”。它是许多产品说明书中经常用到的一个参数,同时也是广大电路设计人员最为关心的一个参数。VICMR定义了运算放大器器件正确运行所需的共模输入电压“范围”,并描述了输入与每个电源轨的接近程度。
 
思考VICMR的另一种方法是:它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定义的一个范围。如图2所示,对VICMR的描述如下:
 
VICMR = VICMR_MAX – VICMR_MIN
其中:
VICMR_MIN = 相对于VCC –电源轨限制
VICMR_MAX = 相对于VCC+电源轨限制
 

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图2运算放大器的输入共模电压范围
 
超出VICMR时,便无法保证运算放大器的正常线性运行。因此,保证完全了解输入信号的整个范围并确保不超出VICMR至关重要。
 
产生混淆的另一个方面可能会是:VICM和VICMR并非标准化缩略语,而各个IC供应商的各种产品说明书通常使用不同的术语,例如:VCM, VIC, VCMR等。结果,我们必需要了解您研究的规范超过了某个特殊输入电压—一个“输入电压范围”。
 
VICMR因运算放大器而各异
运算放大器的输入级由设计规范和所用运算放大器工艺技术类型规定。例如,CMOS运算放大器的输入级便与双极型运算放大器不同,其区别于JFET运算放大器等。运算放大器输入级和工艺技术的具体情况不在本文讨论范围内,但注意到这些差异存在于各种运算放大器器件之间也很重要。
 
表1列举了几个德州仪器(TI)运算放大器的例子及其VICMR。“最大电源范围”栏描述了分裂式电源和单电源(括号内)限制。由该表,我们清楚地知道各运算放大器的输入范围VICMR明显不同。根据器件的具体类型,VICMR可能会低于或者超出电源轨。因此,绝不要假设运算放大器可以接收特殊输入信号范围,除非在产品说明书规范中得到核实。
 
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 表1几种不同运算放大器的VICMR举例
值得一提的一种宽输入范围特例是“轨到轨输入运算放大器”。尽管,顾名思义,它是一种输入涵盖整个电源轨范围的运算放大器,但并非所有轨到轨输入器件都如许多人设想的那样涵盖整个电源范围。许多轨到轨输入运算放大器的确涵盖了整个电源范围(例如:表1中的OPA333等),但有一些则没有全覆盖,而其描述对人具有一定的误导性。另外,检查产品说明书中的规定输入范围至关重要。
 
 
VICMR违规举例
 
VICMR违规常见于单电源运算放大器应用中,这些应用的负轨通常为接地电压即0V,而正轨为正电压,例如:3.3V、5V或者更高。在这些应用中,输入信号范围一般不是非常宽,同时必须较好地理解输入信号和VICMR,以确保正确的运算放大器运行结果。如果违反VICMR,非理想输出行为可导致如低于预期电压电平的信号削波、输出信号电压变化、反相,或者输出过早地达到某个电源轨电压。
 
为了更好地理解超出VICMR带来的影响,我们列举出了一些此类违规的例子。我们选择两个不同VICMR规范的运算放大器,以说明这些影响。我们之所以选择这些器件,是因为它们具有轨到轨输出,可排除输出级带来的一些限制。图3所示单电源电压跟随器电路,用于获取两个器件的波形。所有数据均在~25°C室温下的实验台获取。
 
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图3用于评估VICMR的单电源电压跟随器电路
例1
作为第一个例子,我们选择一个TLC2272运算放大器,并通过VCC = 10V为其供电。产品说明书将其典型VICMR范围描述为25°C条件下5V电源电压的–0.3 to 4.2V范围。注意正电源轨附近的输入限制,即VCC以下.8V (或者VCC –.8V)。本例中,我们使用了VCC = 10V,并且所得接近VCC输入限制估计为约9.2V。
 
为了测试该电路,我们将VCC/2 = 5V DC偏移的300 Hz正弦波应用于输入端。在VOUT出现变化以前,一直对AC幅值进行调节。如图4所示,当应用10 Vp-p输入时,VOUT在正轨附近出现一个经削波的信号,而非负轨附近。如果输入超出VCC – 0.8V(本例中为9.2V),这种正轨附近出现的非理想行为是我们能够预计到的。9.2V以下VIN电平和低至0V时,VOUT显示出正确的波形,正如我们所预期的那样。
 
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图4VIN (Ch1)超出9.2V时TLC2272的VOUT显示削波
例2
第二个例子中,我们在图3电压跟随器电路中使用一个TL971轨到轨输出运算放大器,但其结果不同。这里,我们通过一个5V单电源为运算放大器供电,这样便得到VCC = 5V。由产品说明书规范可知,保证VICMR范围为1.15V到3.85V,即中间VCC/2大概为2.7 Vp-p。将一个1-kHz正弦波应用于2.5V的DC偏移。在观测到VOUT出现变化以前,不断将VIN幅值从200 mVp-p调节到更大级别。
VIN位于范围中间即VCC/2 = 2.5V时,VOUT线性表现正常VIN增加至2.7 Vp-p。随着VIN增加至约3.5 Vp-p(中间为2.5V),VOUT继续跟随VIN,并表现出正确的运算放大器行为。注意,该线性行为好于我们根据产品说明书限制做出的VICMR预计,但其仍然超出了保证限制。
 
VIN稍稍增加至3.52 Vp-p,VOUT便开始在正(5V)和负(0V)轨附近呈现非线性行为(图5)。VIN进一步增加至4.2 Vp-p,明显超出VICMR。由于输入峰值在正轨附近超出限制,因此其上跳至正轨(5V),并在VIN返回到某个可接受范围以前一直保持在该状态,最终VOUT信号出轨(图6)。随着输入降至负轨附近限制以下,VOUT信号表现出倒相,同时其跳至中轨(2.5V),并在VIN增加到VICMR范围内某个可接受电压水平以前,一直通过偏压来跟随VIN
 
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 图5VIN = 3.52 Vp-p时TL971非线性输出行为开始端
 
图6VIN = 4.2 Vp-p时TL971非线性输出行为
 
这些例子表明,超出VICMR时不同类型的运算放大器可产生不同的非线性行为。尽管在第二个例子中产生了倒相,但我们需要注意的是,违反VICMR时并非“所有”运算放大器都会出现倒相—它的产生只取决于具体的运算放大器。
 
DC分析
在前面所述例子中,我们利用一个AC信号来评估运算放大器电路的VICMR。另一种有用的测试方法是,将一个DC电压源作用于图3中电路的输入。DC输入变化时,输出电平也以类似方式变化,只是它不会随时间的推移而持续变化。根据电路的不同类型,在早期的运算放大器评估过程中,AC或DC分析(或者两种分析一起使用)可能会有所帮助。
 
克服VICMR问题
在设计过程的后期,如果您发现您无法满足运算放大器的VICMR要求怎么办呢?可能其他一些参数会是您应用的理想选择,而要修改器件是一件十分困难的事情。一个或多个下列选项或许可以作为一种备选解决方案:
 
(a)    如果输入幅值过大,请使用一个电阻分压器来让信号维持在正确的VICMR范围内。
(b)    如果输入信号偏移存在问题,请尝试使用一个输入偏置或者DC偏移电路,以让输入信号保持在规定的运算放大器VICMR范围内。
(c)    将器件改为轨到轨输入运算放大器,以满足所有其他要求。
 
 
结论
选择一种运算放大器时,请记住:输入共模电压范围是需要理解的众多最重要规范之一。如果器件的输入端无法接受输入信号的电平或者范围,那么您在输出端肯定会碰到问题。首先请仔细阅读本文,之后,当您的电路正确运行时—如您预计的那样,您会为您自己感到高兴的!

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