part-22 轨至轨输出(rail to rail)

现在的低电压运放中,很多都是轨至轨输出,这是靠MOS管作为输出级设计实现的。早期的运放是用NPN电流源或带下拉电阻的NPN射极跟随器作为输出级,这种使用BJT的互补共射极输出级无法完全摆动到电源轨,只能达到电源轨的晶体管饱和电压CESAT范围内。对于较小的负载电流(小于100uA),饱和电压可能低至5—10mV,但对于较高负载电流,饱和电压可能增加至数百毫伏。

轨至轨输出本意是指运放的输出电压可以达到电源轨,但实际上是输出电压非常接近电源轨。下面说下需要注意的问题。

打开一个运放的datasheet,可以看到不同负载下的输出离电源轨的电压值是不同的。

这是由于采用CMOS FET构建的运放输出级(如下图)可以提供近乎真正轨至轨的性能,但只是在空载条件下。如果运放必须输出或吸入很大的电流,则输出电压范围会降低,降幅为FET内部导通电阻上的I*R压降。一般而言,精密放大器的导通电阻在100欧左右,但高电流驱动CMOS放大器的导通电阻可能小于10欧。这就是引起输出不能完全达到电源轨的根本原因。

另一方面,运放的输出信号到轨的电压值,随温度而变化。这同样可以运放的datasheet中看到。并且在全温度范围内,一般温度越高,输出信号到轨的电压差会变大。这是由于MOS导通电阻,具有正温度系数,温度越高,导通电阻阻值越大。见下图:

还有一个问题:当输出电压接近电源轨时,信号的失真会更明显一些。因此没有真正能达到电源轨输出的运放,而且离电源轨远一点,更容易高的信号质量。

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