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      放大器輸入和輸出電壓范圍軌到軌的誤區
      [ 通信界 | 鄭薈民 | www.sdgj0817.com | 2022/10/27 17:05:43 ]
       

      由于工藝限制放大器的輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和供電電壓之間存在電壓差。在設計中,應確保電路在信號處理中不會因為放大器的輸入、輸出限制導致失真。本篇將介紹放大器輸入電壓范圍和輸出電壓范圍參數的使用方法與軌到軌的理解誤區。

      1 輸入電壓范圍

      輸入電壓范圍(Input Voltage Range),是指放大器兩個輸入端引入信號的電壓范圍,也稱作共模輸入范圍(Input Common-Mode Voltage Range)。在數據手冊中給出的方式有兩種,其一,直接提供輸入電壓范圍。如圖2.2,ADA4077在±15V供電時,輸入電壓范圍在-13.8V至+13V。

      圖2.2 ADA4077輸入特性參數

      其二,以供電電源軌為參考的輸入電壓范圍,如圖2.168,ADA4807的共模輸入范圍是-Vs-0.2V 至Vs+0.2V。其中,-Vs表示放大器負電源供電電壓,+Vs表示放大器正電源供電電壓。當電源電壓是±2.5V時,輸入電壓范圍為是±2.7V。

      圖2.168 ADA4807輸入特性參數

      當輸入信號超出放大器的輸入電壓范圍,將發生削波現象。如圖2.169,ADA4077組建緩沖器電路,使用±15V供電,信號源Vin提供幅值為±15V,頻率為5KHz的正弦波。

      圖2.169 ADA4077輸入電壓限制仿真電路

      電路瞬態分析的如圖2.170,輸入信號V(in)是正弦波幅值為±15V頻率為5KHz,但是輸出信號V(out)的發生失真,在波峰處被削平,最高輸出電壓為13.55V,最低輸出電壓為-13.39V。

      圖2.170 ADA4077輸入電壓限制瞬態分析結果

      2 高輸出電壓與低輸出電壓

      高飽和輸出電壓擺幅(High Saturated Output Voltage Swing,VOH)簡稱高輸出電壓,與低飽和輸出電壓擺幅(Low Saturated Output Voltage Swing,VOL)簡稱低輸出電壓,是指放大器在給定電源電壓和負載時,輸出信號的電平能達到最高與最低電壓。

      數據手冊中給出的方式有兩種,其一,直接提供高、低輸出電壓值。如圖2.3,ADA4077在±15V供電,驅動1mA負載時,低輸出電壓為-13.8V,高輸出電壓為+13.8V。

      圖2.3 ADA4077輸出特性

      其二,以電源軌供電電壓為參考的輸出電壓擺幅。如圖2.171,ADA4807在輸出負載為1KΩ時,低輸出電壓典型值為-Vs+0.07V ,高輸出電壓典型值為+Vs-0.04V。其中,-Vs表示放大器負電源供電電壓,+Vs表示放大器正電源供電電壓。如果電源電壓是±2.5V時,低輸出電壓為-2.43V,高輸出電壓為2.46V。

      圖2.171 ADA4807 輸出電壓擺幅

      高、低輸出電壓的限制與工作溫度相關。如圖2.172,ADA4077的高、低輸出電壓隨溫度升高而變大。因此,在遲滯比較器、波形整形等應用時需要結合溫度、功耗信息設計門限閾值。

      圖2.172 ADA4077高、低輸出電壓與溫度

      3 軌到軌的正確理解

      如圖2.173,部分放大器數據手冊的首頁標有軌到軌(Rail-to-Rail,RR)的描述。它是指放大器的輸入電壓范圍、輸出電壓的擺幅接近(不是等于。。。電源電壓。具體類型包括軌到軌輸出(RRO)、軌到軌輸入與輸出(RR I/O)。

      圖2.173 ADA4625與ADA4807特性概述

      軌到軌放大器應用中需要注意以下幾點:

      (1)信號到正電源軌與信號到負電源軌的絕對值可能不一致。      

      (2)信號到電源軌與負載大小有關,負載電阻越大(負載電流越。,到軌壓差越小。

      (3)信號與電源軌之間存在電壓差,通常為數十毫伏。

      其中,特別注意第3點,軌到軌不代表信號與電源軌完全一致。尤其在單電源供電系統可能導致小信號失真。

      2018年9月上旬,筆者收到一位工程師的咨詢,他為國產知名3C企業即將發布的新產品,設計了一款生產線測試設備,其中使用TI軌到軌輸出的零漂放大器OPA2335處理0~2V直流信號,OPA2335供電電源為單5V,測試中發現最低輸出只有20mV,不能達到0V輸出。

      筆者與工程師確認OPA2335數據手冊,如圖2.174。單5V供電,輸出阻抗為10K時,低電壓輸出限制為15mV(典型值),即小于15mV信號輸出時將發生失真。建議更換為正、負電源供電的放大器,保證在0V附近信號不失真,提供ADA4528/ADA4522部分樣品進行驗證。最終工程師使用支持雙電源供電的零漂型放大器完成設備整改。

      圖2.174 OPA2335輸出特特性

      綜上,輸入、輸出電壓范圍參數與放大器供電范圍掛鉤,而放大器的供電電壓是放大器選型評估中優先級最高的參數。在選型分析中,待定放大器型號的交流參數,直流參數即使非常適合擬定的需求,但是如果供電電壓不達標就會否決。

       

      1作者:鄭薈民 來源:通信界 編輯:顧北

       

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