你是否超越了运放的输入共模区间？

作者：德州仪器公司Todd Toporski

为自己的电路挑选运放要通过一个选择过程，其中要考虑到最关键的应用参数。审查的参数可能包括：电源电压、增益带宽积、转换速率，以及输入噪声电压。另外还必须考虑输入共模区间，这对所有运放电路都是一个关键参数。

终生与运放打交道的工程师们很可能都遇到过这类情况，运放出现了未曾预料的性能。运放的好处是它们的输出通常会说明真相。很多情况下，如果有什么异常，都会明显地体现在其输出端。输出级的极限可能造成不良的输出波形。也许输出端的过多电容会造成振荡，或者输出级的电压摆幅小于电源电压轨，因此在达到满轨电压以前就出现削峰。

运放的输出端也会出现与输出级毫无关系的奇怪现象。不良的输出信号可能来自于器件输入端的某些异常。运放最常见的问题之一是超出了器件的输入共模区间。不过，到底什么是输入的共模区间，超出这一区间的影响是什么？



输入共模电压VICM是一位工程师在考虑运放输入时的首要规格之一，但它可能带来一些混淆。VICM描述了一个电压电平，它是反相和非反相输入端的平均电压(图1)。通常用下式表示：



认识VICM还有一种方式，即它是非反相和反相输入端VIN+与VIN-的公共的电压电平。在大多数应用中，VIN+非常接近于VIN-，因为闭环负反馈会使一个输入端密切跟踪另一个输入端，使VIN+与VIN-之间的压差接近于零。很多共模电路都是这种情况，包括电压跟随器，以及反相和非反相配置。这些情况下，通常会假设VIN+=VIN-=VICM，因为这些电压几乎是相同的。

描述运放输入的另一个参数项是输入共模区间VICMR，或更准确地说，是输入共模电压区间。这个参数在数据表中很常见，它是电路设计者最应关注的参数。VICMR定义了运放能正常工作的一个共模输入电压区间，并描述了输入电压与两个电压轨靠近的程度。

对VICMR的另一种认识方式是，它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所确定的一个区间，如下式所示：



其中，VICMRMIN是相对VCC-电压轨的极限值，VICMRMAX是相对于VCC+电压轨的极限值(图2)。



当运放超出VICMR时，器件就可能不能做正常的线性运行。因此，必须了解输入信号的整个范围区间，确保运放不超出VICMR。

另一个混淆点是：VICM与VICMR是非标准的缩写，各家IC供应商的数据表中经常使用不同的术语，如VCM、VIC和VCMR。因此，必须清楚自己正在查看的规格，它不是一个特定的输入电压，而是一个输入电压的范围。



不同运放的VICMR变化

运放的设计规格与所使用的工艺技术决定了器件的输入级。例如，一只CMOS运放的输入级不同于双极运放的输入级，也不同于JFET运放。了解这些运放间存在的差异非常重要。

表1是德州仪器公司几款运放及其VICMR。最大电源区间栏中描述了双电源和单电源的极限。表中可以明显看到，不同运放的输入区间VICMR各不相同。根据器件的类型，VICMR可能进入或超出电源轨。因此，永远不能假定某个运放可以接受某个输入信号区间，除非验证了数据表中的规格。



有一个宽输入范围的特例值得一提，这就是轨至轨输入运放。尽管这个名称暗示该运放的输入可以跨越整个电源轨的区间，但并非像人们可能假设的那样，所有轨至轨输入器件都可以覆盖整个电源范围。很多轨至轨输入的运放(如TI的OPA333)确实能跨越整个电源区间，而其它一些则达不到标准，说明有误导性。同样，关键在于查看数据表指定的输入区间规格。

违反VICMR的例子

违反VICMR的情况一般出现在使用3.3V、5V或其它低电压应用的单电源运放中。在这些应用中，输入信号区间一般都是狭窄的，必须知道输入信号和VICMR，才能确保运放的正常运行。一只违反了VICMR的运放可能出现未预料的输出性能，如信号在低于预期电压电平处削峰，输出信号电压漂移，相位反转，或输出过早地到达某个电源电压轨。

为更好地理解违反VICMR的效果，下面给出一些实例。用两只具有不同VICMR规格的运放可演示这些效果。这些器件都有轨至轨的输出，排除了输出级造成的限制。一个单电源的电压跟随器电路用于两只器件的评估(图3)。所有测试均在一个实验台上完成，室温约为25°C。



第一个例子使用了一只VCC为10V的TLC2272运放。数据表显示，它在25°C和5V电源电压下的典型VICMR区间为-0.3V~+4.2V。注意输入极限接近于正电源轨，比VCC低0.8V。得到的近VCC输入极限大约为9.2V。

测试电路时，在其输入端加一个直流偏移为VCC电压一半(或5V)的300Hz正弦波。调节交流幅度，直到看到VOUT有一个变化。当施加10V峰峰值输入时，VOUT显示一个接近正电源轨的削峰信号，而不是接近负电源轨。这个接近正电源轨的不良性能就是预计输入超过9.2V时的结果。对于0~9.2V之间的VIN，VOUT显示和预期一样的正确波形(图4)。

第二个例子使用一只TL971轨至轨输出的电压跟随器电路，但结果却不同。此时，运放采用一个单5V电源。从数据表规格可知，有保证的VICMR区间跨越了1.15V~ 3.85V范围，或中心在VCC/2的大约2.7V峰峰值。输入端加的是一个直流偏移为2.5V的1kHz正弦波。将VIN的幅度从200mV峰峰值调向更高电平，直到看到VOUT的变化。





VIN中心在2.5V时，VIN增加到2.7V峰峰值，VOUT都有预期的线性特性。当VIN增加到约3.5V峰峰值时，中心在2.5V，VOUT继续跟随VIN，表现出正确的运放特性。注意这个线性特性好于数据表对VICMR的限制，但仍然超出了保证的极限值。当VIN增加到略高于3.52V峰峰值时，VOUT开始在接近正电源5V轨和负电源0V轨时表现出非线性特性(图5)。VIN进一步增加到4.2V峰峰值，明显超出了VICMR。当输入峰值超过了近正电源轨的极限时，VOUT的信号输出超出电源轨，跳到正电源轨5V以上，并停留在这里，直到VIN回到可接受范围内(图6)。当输入跌到接近负电源轨的极限以下时，VOUT的信号表现出一个相位反转，跳至中轨2.5V，并以一个偏移跟随VIN，直到VIN增加到VICMR内的一个可接受电压值。

这些例子表明，不同的非线性特性可以源于不同类型超出VICMR的运放。虽然第二种情况中产生了相位反转，但注意这个相位反转并不出现在所有违反VICMR的运放中，它与运放有关。

这些例子用一个交流信号，评估运放电路的VICMR。另一种有用的测试是给图3中的电路输入端加一个直流电压源。当改变直流输入时，输出电平会以一种类似的方式变化，而不是总在改变。根据电路的类型，在运放的早期评估中，可以采用交流分析或直流分析，也可两者兼用。