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  • 运放输入和输出摆幅限制

    • ZHCADH2 December   2023 OPA205 , OPA320 , OPA328 , OPA365

       

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  1.   1
  2.   摘要
  3. 1 简介
  4. 2 电路配置对共模范围的影响
  5. 3 实际输入限制
  6. 4 输入相位反转(反相)
  7. 5 双极放大器内部的共模限制
  8. 6 CMOS 放大器内部的共模限制
  9. 7 轨到轨 CMOS 放大器
  10. 8 双极运放内的输出摆幅限制
  11. 9 输出摆幅线性度规格
  12. 10输出电压摆幅与输出电流间的关系
  13. 11经典双极输出级与 CMOS 和双极轨到轨输出级
  14. 12轨到轨输出和开环增益相关性
  15. 13输出短路保护
  16. 14过载恢复
  17. 15输入和输出摆幅限制期间的电源电流
  18. 16总结
  19. 17参考资料
  20. 重要声明
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Technical White Paper

运放输入和输出摆幅限制

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

摘要

超过放大器的输入或输出摆幅限制会导致输出信号失真。本文档首先介绍了计算这些限制的基本方法。接着简要说明了内部晶体管拓扑上如何出现限制。本文档还介绍了内部运行情况,以便电路板级和系统级设计人员了解不同类别放大器的行为方式。例如,对两种不同类型的轨到轨共模范围运行进行了比较和对比。这些拓扑都有与噪声和失真相关的特定优点和缺点。最后,本文档介绍了输出电流对摆幅限制的影响、短路保护以及与运放输入和输出级相关的其他主题。

1 简介

运放电路的实际输出电压范围受电源电压、内部运放设计和电路配置的限制。输出范围始终小于电源电压范围。因此,对于 ±15V 电源,输出范围最多为 ±15V。从实际角度来看,一些放大器可以非常接近电源限值,但实际上没有放大器的输出摆幅完全等于电源电压。例如,CMOS 轨到轨放大器具有与电源轨相差几毫伏的输出摆幅。

输出电压范围由两个放大器规格决定:共模范围和相对于电源轨的输出摆幅。共模范围是放大器相对于输入共模信号的线性运行范围。输入共模信号定义为施加到运放输入端的平均电压。但是,由于运放的两个输入端虚短,因此两个输入端上的电压大致相同。因此,在正常线性运行条件下,在任一输入端测得的任何电压都是共模电压。共模范围提供了放大器输入级相对于电源的线性运行范围。输出摆幅范围是放大器输出级相对于电源电压和负载电流的线性运行范围。

表 1-1 中的共模和输出摆幅规格可用于确定放大器的输入和输出范围。可以使用规格表中的最小和最大限值以及电源电压来确定放大器的输入和输出范围。OPAx206 具有输入过压保护功能的 4μV、0.08μV/°C 低功耗超 β e-trim™ 运放 数据表提供了两个不同的规格表:一个为 ±5V,一个为 ±15V。由于实际电路在这些限值之间,因此选择了最坏的情况。图 1-1 提供的示例展示了如何将数据表规格应用于特定的电源配置,以确定输入和输出限制。在此示例中,最小共模限值可以通过使用负电源和规格表中的最小限值来确定(即,
(V–) + 1 = (–5 V) + 1 V = –4 V)。类似地,最大值可以使用 12V 电源和表格中的最大限值来确定(即, (V+) – 1.4V = 12V – 1.4V = 10.6V)。相同的方法可用来计算输出摆幅限制。但是,在这种情况下,必须考虑负载。在此示例中,负载为 10kΩ,因此输出摆幅限制为与任一电源轨相差 0.2V (–4.8V < VOUT < 11.8V)。同样还要认识到,这个输出限制是放大器完全非线性且输出饱和的点。接近饱和限值时,放大器输出会失真。节 9 详细说明了放大器饱和与线性限制之间的差异。共模和输出摆幅示例使用 VCC = +12V 和 VEE = –5V 的不对称电源布置。在实际电路中,电源更多是平衡的,但也可能是不对称的,如示例所示。为了说明目的,该示例使用了不同的 VCC 和 VEE 值,以帮助识别和区分两个电源。

表 1-1 OPA206 共模和输出摆幅规格
参数:OPA206 工作条件 最小值 典型值 最大值 单位
VCM 共模电压范围 (V–) + 1 (V+) – 1.4 V
VOUT 电压输出 R­L = 10kΩ,VS = ±15V (V–) + 0.2 (V+) – 0.2 V
R­L = 2kΩ,VS = ±15V (V-)+0.35 (V+)-0.35 V
GUID-20230921-SS0I-J2RT-0GNS-DGF5BKVLPBHB-low.svg图 1-1 OPA206 共模和输出摆幅限制示例

 

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