什么是 Rail-to-Rail Amplifiers

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1、什么是 Rail-to-RailAmplifiers轨对轨就是输出电压的最高值与最低值是vdd与0，rail-to-rail，就像cmos反向器就是一个最简单的轨对轨电路，因为它没有输出电压损失。近几年来,单电源工作已经成为一个系统小型化、价格低廉化和便携化越来越重要的要求。便携式的系统依靠电池,整个电路耗电是一个重要而又困扰设计的问题,它甚至比价格更为突出。这样，用低电压、低电流工作的问题就更加突出，与此同时,精确性和精确度的要求又迫使IC制造者在做放大器设计时，将不得不接受种种取舍的挑战。对单电源应用，对放大器性能最直接的影响是输入和输出信号范围减小了。由于通过的是些更低的输入

2、和输出信号,因而放大电路对内部和外部误差源变得更为敏感。精密放大器大约0.1mV的失调电压，较12位、10V满量程系统0.04LSB误差（源）要少。在单电源供电系统中，一个“rail-to-rail”精密放大器以1mV失调电压，对一个5VFS系统就意味着0.8LSB的误差，对2.5VFS系统则意味意味着1.6LSB的误差。此外，在单电源放大器中，因为使用更大的源电阻以减小电源电流，偏置电流流过更大的源电阻产生的失调电压可能等于或大于放大器本身的失调电压。一些低压单电源供电的器件的增益精度也要减小，因而，器件选择也要仔细考虑。许多放大器有数百万倍开环增益的都是双电源供电的：例如OP0

3、7系列之类的。但是,许多精密应用的单电源供电/rail-to-rail放大器在轻载(>10kohm)下的典型开环增益为25,000和30,000之间。选择的器件，如OPX13系列，则有高开环增益(即大于1V/μV)。设计单电源放大器，在许多“交易”都是是可能存在的：速度与电耗，噪声与电耗，精确度与速度和电耗等等。甚至thenoisefloor保持常数(大就不受欢迎)，在信号大幅下降时信噪比也将下降。除这些限制以外，许多双电源放大器的其它设计考虑都变得重要起来。例如，信噪比(SNR)由于信号摆幅的减少而降低。“地参考”已不再是一个简单的选择，如一个参考电压在一些器件上可以工作，而其它

4、器件则不然。电源电流降低时，系统噪声又会增加，且带宽也跟着减小。对单电源、低功耗应用，在放大器的一些有限的选择面前，要达到适当的带宽和所需的精度，无疑对系统设计提出了重大的挑战。多数电路设计师都愿意用“地面”作为参考。许多模拟电路称它们的输入和输出范围也是以地为参考的。在双电源供电的应用中，分离电源的参考(0V)非常方便，尽管在各个方向有相等的电源净空，且0V一般是电压在低阻抗地层板上。在单电源/rail-to-rail电路中,参考地尽可以电源电压范围内任意点选择,因为没有标准可循的。选择参考地取决于被处理信号类型和放大器特性。例如,选择负轨作为参考地可以优选输出被设计摇摆对0V一

5、操作安培的力学范围。另一方面,信号也许要求平实转移为了是与不被设计经营在0V输入其它设备兼容的输入(比如ADCs)。早期"0输入，0输出的"单电源放大器是采用对NPN管性能经过优化的双极工艺设计的。而横向及衬底PNP的性能比NPN差很多。现在新一代的单电源/轨到轨的运算放大器需要完全互补的工艺。新的放大器在信号通路上不会使用横向或衬底PNP,但是与NPN及PNP并行协作的输入端能够使输入信号的摆幅从0到正电源电压。并且，轨到轨的输出级采用了NPN/PNP共射或是N沟/P沟共源放大器形式，而集电极发射极的饱和电压或漏-源导通电阻将决定输出信号摆幅与负载电流的关系。在精密、低电压应用的

6、场合，单电源放大器输入级的特性(共模抑制比、输入偏置电压以及它有温度系数、噪声)是很重要的。Rail-to-rail输入的运算放大器必须解决小信号的问题,不管是它们的电平位于地电平，还是位于放大器的正电源电平。在0V到电源正（VPOS）整个共模输入电压范围内具有至少60dB的共模抑制比的放大器是不错的选择。而信号远离电源电压后，再维持放大器的共模抑制是不必要的，需要的却是不为瞬间过电压所毁坏的条件。此外，在精密应用场合，具有失调电压小于1mV并且失调电压飘逸小于2μV/℃的运放也是非常好的选择。因为当在没有比输出动态范围和SNR更重要的要求时，输入信号动态范围和SNR同等重要，所以

7、精密单电源/rail-to-rail运算放大器应该在0.1Hz～10Hz的带宽里有小于5μVp-p的折合到输入端的噪声(RTI)。对低电源电压应用，因rail-to-rail的输出级驱动需要保持宽的动态范围，单电源/rail-to-rail放大器的输出电压摆幅至少应在各个电源轨100mV以内。(在正常负载下)。而输出电压的摆幅却非常依赖于输出级的拓扑结构和负载电流，但一个好的输出级电压摆幅应该在负载至10kohm定维持它额定的摆幅。它能有较小的VOL和较高的VOH就更