- VICMR因運算放大器而各異
- VICMR違規(guī)舉例
- DC分析
- 克服VICMR問題
根據(jù)一些對您的應(yīng)用最為重要的參數(shù)，為您的電路選擇一個運算放大器（op amp），需要一個復(fù)雜的過程。您查看的一些參數(shù)可能會包括電源電壓、增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率和輸入噪聲電壓等等。
您還說明了輸入共模范圍，對于您的電路中所有運算放大器應(yīng)用來說，它都是一種重要的關(guān)鍵參數(shù)，是這樣吧？如果您說“不是”，那么我們強烈推薦您閱讀本文。即使您的答案是肯定的，您仍然會發(fā)現(xiàn)這篇文章很有幫助。
那些在其整個職業(yè)生涯都與運算放大器打交道的工程師們，可能都碰到過運算放大器工作異常的情況。好的一方面是運算放大器輸出通常會說明情況。很多時候，如果情況并不“那么好”，其會在輸出引腳以一種明顯的方式表現(xiàn)出來。非理想輸出波形可由輸出級的諸多限制因素引起。我們可能會觀測到輸出端過多電容引起的振蕩。否則，在達到全軌電壓之前可能會出現(xiàn)削波，因為輸出級被限制在低于電源軌電壓的電壓擺動。
運算放大器輸出端出現(xiàn)與輸出級無關(guān)的異常行為也是可能的。有時，非理想輸出信號可能會產(chǎn)生自器件輸入端異常。最常見的運算放大器問題是超出器件輸入共模范圍。但是，“輸入共模范圍”到底是什么，而超出這一范圍又會產(chǎn)生什么影響呢？
輸入共模范圍定義談及運算放大器輸入時，輸入共模電壓（VICM）是工程師首先會想到的一個術(shù)語，但其可能會帶來一定的初始混淆。VICM描述了一個特殊的電壓電平，其被定義為反相和非反相輸入引腳（圖1）的平均電壓。
圖 1 運算放大器的輸入共模電壓
它常常被表示為：
VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.
思考VICM的另一種方法是，它是非反相和反相輸入即VIN (+)和VIN (–)常見的電壓電平。事實證明，在大多數(shù)應(yīng)用中，VIN (+)都非常接近于VIN (–)，因為閉環(huán)負(fù)反饋使一個輸入引腳緊跟另一個，這樣VIN (+)和VIN (–)之間的差便接近于零。
對許多常見電路而言確是這樣一種情況，其包括電壓跟隨器、反相和非反相配置。在這些情況下，我們常常假設(shè)VIN (+) = VIN (–) = VICM，因為這些電壓大約相等。
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用于描述運算放大器輸入的另一個術(shù)語是“輸入共模范圍”（VICMR），或者更準(zhǔn)確的說是“輸入共模電壓范圍”。它是許多產(chǎn)品說明書中經(jīng)常用到的一個參數(shù)，同時也是廣大電路設(shè)計人員最為關(guān)心的一個參數(shù)。VICMR定義了運算放大器器件正確運行所需的共模輸入電壓“范圍”，并描述了輸入與每個電源軌的接近程度。
思考VICMR的另一種方法是：它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定義的一個范圍。如圖2所示，對VICMR的描述如下：
VICMR = VICMR_MAX – VICMR_MIN
其中:
VICMR_MIN = 相對于VCC –電源軌限制
VICMR_MAX = 相對于VCC+電源軌限制
圖 2 運算放大器的輸入共模電壓范圍
超出VICMR時，便無法保證運算放大器的正常線性運行。因此，保證完全了解輸入信號的整個范圍并確保不超出VICMR至關(guān)重要。
產(chǎn)生混淆的另一個方面可能會是：VICM和VICMR并非標(biāo)準(zhǔn)化縮略語，而各個IC供應(yīng)商的各種產(chǎn)品說明書通常使用不同的術(shù)語，例如：VCM, VIC, VCMR等。結(jié)果，我們必需要了解您研究的規(guī)范超過了某個特殊輸入電壓—一個“輸入電壓范圍”。
VICMR因運算放大器而各異
運算放大器的輸入級由設(shè)計規(guī)范和所用運算放大器工藝技術(shù)類型規(guī)定。例如，CMOS運算放大器的輸入級便與雙極型運算放大器不同，其區(qū)別于JFET運算放大器等。運算放大器輸入級和工藝技術(shù)的具體情況不在本文討論范圍內(nèi)，但注意到這些差異存在于各種運算放大器器件之間也很重要。
表1列舉了幾個德州儀器（TI）運算放大器的例子及其VICMR。“最大電源范圍”欄描述了分裂式電源和單電源（括號內(nèi)）限制。由該表，我們清楚地知道各運算放大器的輸入范圍VICMR明顯不同。根據(jù)器件的具體類型，VICMR可能會低于或者超出電源軌。因此，絕不要假設(shè)運算放大器可以接收特殊輸入信號范圍，除非在產(chǎn)品說明書規(guī)范中得到核實。
表 1 幾種不同運算放大器的VICMR舉例
值得一提的一種寬輸入范圍特例是“軌到軌輸入運算放大器”。盡管，顧名思義，它是一種輸入涵蓋整個電源軌范圍的運算放大器，但并非所有軌到軌輸入器件都如許多人設(shè)想的那樣涵蓋整個電源范圍。許多軌到軌輸入運算放大器的確涵蓋了整個電源范圍（例如：表1中的OPA333等），但有一些則沒有全覆蓋，而其描述對人具有一定的誤導(dǎo)性。另外，檢查產(chǎn)品說明書中的規(guī)定輸入范圍至關(guān)重要。
VICMR違規(guī)舉例
VICMR違規(guī)常見于單電源運算放大器應(yīng)用中，這些應(yīng)用的負(fù)軌通常為接地電壓即0V，而正軌為正電壓，例如：3.3V、5V或者更高。在這些應(yīng)用中，輸入信號范圍一般不是非常寬，同時必須較好地理解輸入信號和VICMR，以確保正確的運算放大器運行結(jié)果。如果違反VICMR，非理想輸出行為可導(dǎo)致如低于預(yù)期電壓電平的信號削波、輸出信號電壓變化、反相，或者輸出過早地達到某個電源軌電壓。
為了更好地理解超出VICMR帶來的影響，我們列舉出了一些此類違規(guī)的例子。我們選擇兩個不同VICMR規(guī)范的運算放大器，以說明這些影響。我們之所以選擇這些器件，是因為它們具有軌到軌輸出，可排除輸出級帶來的一些限制。圖3所示單電源電壓跟隨器電路，用于獲取兩個器件的波形。所有數(shù)據(jù)均在~25°C室溫下的實驗臺獲取。
圖 3 用于評估VICMR的單電源電壓跟隨器電路
例1
作為第一個例子，我們選擇一個TLC2272運算放大器，并通過VCC = 10V為其供電。產(chǎn)品說明書將其典型VICMR范圍描述為25°C條件下5V電源電壓的–0.3 to 4.2V范圍。注意正電源軌附近的輸入限制，即VCC以下.8V （或者VCC –.8V)。本例中，我們使用了VCC = 10V，并且所得接近VCC輸入限制估計為約9.2V。
為了測試該電路，我們將VCC/2 = 5V DC偏移的300 Hz正弦波應(yīng)用于輸入端。在VOUT出現(xiàn)變化以前，一直對AC幅值進行調(diào)節(jié)。如圖4所示，當(dāng)應(yīng)用10 Vp-p輸入時，VOUT在正軌附近出現(xiàn)一個經(jīng)削波的信號，而非負(fù)軌附近。如果輸入超出VCC – 0.8V（本例中為9.2V），這種正軌附近出現(xiàn)的非理想行為是我們能夠預(yù)計到的。9.2V以下VIN電平和低至0V時，VOUT顯示出正確的波形，正如我們所預(yù)期的那樣。
圖 4 VIN (Ch1)超出9.2V時TLC2272的VOUT顯示削波
例2
第二個例子中，我們在圖3電壓跟隨器電路中使用一個TL971軌到軌輸出運算放大器，但其結(jié)果不同。這里，我們通過一個5V單電源為運算放大器供電，這樣便得到VCC = 5V。由產(chǎn)品說明書規(guī)范可知，保證VICMR范圍為1.15V到3.85V，即中間VCC/2大概為2.7 Vp-p。將一個1-kHz正弦波應(yīng)用于2.5V的DC偏移。在觀測到VOUT出現(xiàn)變化以前，不斷將VIN幅值從200 mVp-p調(diào)節(jié)到更大級別。
VIN位于范圍中間即VCC/2 = 2.5V時，VOUT線性表現(xiàn)正常時VIN增加至2.7 Vp-p。隨著VIN增加至約3.5 Vp-p（中間為2.5V），VOUT繼續(xù)跟隨VIN，并表現(xiàn)出正確的運算放大器行為。注意，該線性行為好于我們根據(jù)產(chǎn)品說明書限制做出的VICMR預(yù)計，但其仍然超出了保證限制。
VIN稍稍增加至3.52 Vp-p，VOUT便開始在正（5V）和負(fù)（0V）軌附近呈現(xiàn)非線性行為（圖5）。VIN進一步增加至4.2 Vp-p，明顯超出VICMR。由于輸入峰值在正軌附近超出限制，因此其上跳至正軌（5V），并在VIN返回到某個可接受范圍以前一直保持在該狀態(tài)，最終VOUT信號出軌（圖6）。隨著輸入降至負(fù)軌附近限制以下，VOUT信號表現(xiàn)出倒相，同時其跳至中軌（2.5V），并在VIN增加到VICMR范圍內(nèi)某個可接受電壓水平以前，一直通過偏壓來跟隨VIN。
圖 5 VIN = 3.52 Vp-p時TL971非線性輸出行為開始端
圖 6 VIN = 4.2 Vp-p時TL971非線性輸出行為
這些例子表明，超出VICMR時不同類型的運算放大器可產(chǎn)生不同的非線性行為。盡管在第二個例子中產(chǎn)生了倒相，但我們需要注意的是，違反VICMR時并非“所有”運算放大器都會出現(xiàn)倒相—它的產(chǎn)生只取決于具體的運算放大器。
DC分析
在前面所述例子中，我們利用一個AC信號來評估運算放大器電路的VICMR。另一種有用的測試方法是，將一個DC電壓源作用于圖3中電路的輸入。DC輸入變化時，輸出電平也以類似方式變化，只是它不會隨時間的推移而持續(xù)變化。根據(jù)電路的不同類型，在早期的運算放大器評估過程中，AC或DC分析（或者兩種分析一起使用）可能會有所幫助。
克服VICMR問題
在設(shè)計過程的后期，如果您發(fā)現(xiàn)您無法滿足運算放大器的VICMR要求怎么辦呢？可能其他一些參數(shù)會是您應(yīng)用的理想選擇，而要修改器件是一件十分困難的事情。一個或多個下列選項或許可以作為一種備選解決方案：
(a) 如果輸入幅值過大，請使用一個電阻分壓器來讓信號維持在正確的VICMR范圍內(nèi)。
(b) 如果輸入信號偏移存在問題，請嘗試使用一個輸入偏置或者DC偏移電路，以讓輸入信號保持在規(guī)定的運算放大器VICMR范圍內(nèi)。
(c) 將器件改為軌到軌輸入運算放大器，以滿足所有其他要求。
結(jié)論
選擇一種運算放大器時，請記住：輸入共模電壓范圍是需要理解的眾多最重要規(guī)范之一。如果器件的輸入端無法接受輸入信號的電平或者范圍，那么您在輸出端肯定會碰到問題。首先請仔細(xì)閱讀本文，之后，當(dāng)您的電路正確運行時—如您預(yù)計的那樣，您會為您自己感到高興的！
