軌至軌輸出(rail to rail output)
現(xiàn)在在低電壓運(yùn)放的中，很多都是軌至軌輸出。運(yùn)放的軌至軌輸出是由 MOS 作輸出級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
早期的運(yùn)算放大器輸出級(jí)是帶有 NPN 電流源或下拉電阻的NPN 射極跟隨器。這種使用 BJT 的互補(bǔ)共射極輸出級(jí)無(wú)法完全擺動(dòng)到電源軌，只能擺動(dòng)到電源軌的晶體管飽和電壓 CESAT 范圍內(nèi)。
對(duì)于較小的負(fù)載電流(小于 100 μA )，飽和電壓可能低至 5 至 10mV；但是，對(duì)于較高負(fù)載電流，飽和電壓可能增加至數(shù)百毫伏。
軌至軌輸出的本意是指，運(yùn)放的輸出電壓可以達(dá)到電源軌。但實(shí)際是它是十分接近電源軌。只說(shuō)這么一個(gè)定義是沒(méi)有多大意義的。下面要說(shuō)一下這里關(guān)于軌至軌輸出的一些需要注意的問(wèn)題。
先看下圖datasheet 上的數(shù)據(jù)。看到在不同負(fù)載下的輸出離電源軌的電壓值是不同的。
這是由于采用 CMOS FET 構(gòu)建的輸出級(jí)（如下圖）可以提供近乎真正軌到軌的性能，但只是在空載條件下。如果運(yùn)算放大器輸出必須流出或吸入相當(dāng)大的電流，則輸出電壓擺幅會(huì)降低，降幅為 FET內(nèi)部導(dǎo)通電阻上的 I×R 壓降。
一般而言，精密放大器的導(dǎo)通電阻在 100 Ω 左右，但高電流驅(qū)動(dòng)CMOS 放大器的導(dǎo)通電阻可能小于 10 Ω。這就是引起輸入不能完全達(dá)到電源軌的根本原因。
另一方面，運(yùn)放的輸出信號(hào)到軌的電壓值，隨溫度而變化。這同樣可以在datasheet 中的表格中看到，并且在全溫范圍內(nèi)，一般會(huì)出現(xiàn)在高溫的情況，輸出信號(hào)到軌的電壓值會(huì)變大。
這是由于 MOS 導(dǎo)通電阻，具有正溫度系數(shù)，溫度越高，導(dǎo)通電阻越大。這也就是造成了全溫范圍內(nèi)壓差VSAT = VS – VOUT會(huì)變大。
下面引出一張圖表，這張圖表在運(yùn)放的 datasheet 中非常常見(jiàn)，但也經(jīng)常被忽略，它反應(yīng)了一個(gè)重要結(jié)論：隨著溫度的上升，和輸出電流的上升，運(yùn)放輸出信號(hào)與電源軌的壓差VSAT = VS – VOUT也隨之增大。
原因正如上面所解釋的。當(dāng)然還有一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)輸出電壓越接近電源軌時(shí)，信號(hào)的失真會(huì)變的差一點(diǎn)。因此沒(méi)有真正能達(dá)到電源軌輸出的運(yùn)放。根據(jù)上面的原因，離電源軌遠(yuǎn)一點(diǎn)，更容易達(dá)到高的信號(hào)質(zhì)量。
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