1.2 你应该了解的轨至轨输入

原文链接：http://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/archive/2013/04/16/rail-to-rail-inputs-what-you-should-know

R/R，即rail to rail，即轨至轨。

轨至轨运放运用普遍，特别是在低电压供电中，我们应该要了解轨至轨输入是怎么实现的并学会泽中选择。

图4a是一个典型的由N沟道和P沟道晶体管对组成的轨至轨双输入级。P沟道场效应管处理工模电压范围的低压部分，使输入工模略低于负电源轨或地。N型管则处理上限电压接近或超过正电源轨。

其实前级还有另外的电路指挥交通，即确定输入阶信号是通过P还是N型管。大部分TI的运放都是双输入阶设计，其转换出现在正电源轨大约1.3V以下，即 (V+)-1.3V。也就是说在输入共模电压在(V+)-1.3V以下时，信号通过P型管，超过这个电压，P管的门电压就不够，所以信号将被指挥从N型管通过。

（由于图4a是P沟道增强型场效应管，所以Vgs是负压，且要小到一定程度才能使P管导通，比如小于 -1.3V）

P和N管输入级的偏置电压会稍微有所不同。当共模电压经过这个转折点时（特别是在增益为1时），由于偏置电压会使输出产生一个跳变。有些运放经过激光或电子校准可以减小输入级的偏置电压，但是不能消除，所以在输出端还是会有一个小跳变，如图4b。前级的指挥信号流向的电路是以正电源柜作为参考的，而不是地。在3.3V供电中，跳变发生在一个尴尬的位置——正负电源轨的中点（这种电压的某些情况下，轨至轨就不一定是明智选择了）。

然而，大多数应用中都没有考虑到跳变问题，而这个输入偏置电压的跳变在高精度应用时就可能会出现问题。跳变在交流信号中也会出现，但是也只出现在信号在P，N型管跳跃那一瞬间。

图2a是第二种轨至轨输入级。内部的电源泵将给运放供电的正电源柜提升大约2V给P沟道输入级供电。这是通过单输入级无缝完成轨至轨输入，没有跳变的小瑕疵，如图2b。

电源泵？有些设计师听起来感到不可思议，疑问它噪声很大，不是吗？但是，大部分应用其实是出乎意料的稳定。因为电源泵只需要为输入级供电，即电流几乎为0，且没有额外的管脚或电容，都集成在内部。所以电源泵的噪声很低，在时域几乎看不见，对应用的频域分析发现其数量级比宽带噪声(broadband noise)更低。但可能会有一些失真。

不是所有的应用都需要轨至轨输入运放，比如反相运算放大电路和增益大于1的放大电路就不需要轨至轨输入，但可能需要轨至轨输出。也许许多工程师倾向于选用轨至轨输入运放，这样就不需要考虑输入电压范围了，但我们真的需要吗？ 运用对轨至轨输入级的了解和权衡取舍，我们可以作出更明智的选择。

几种轨至轨运放：

OPA340    双输入级，偏置已校准，5.5MHz R/R CMS

OPA343    双输入级，偏置未校准，5.5MHz R/R CMS

OPA320    电源泵输入级，偏置已校准，20MHz R/R CMS

OPA322    电源泵输入级，偏置未校准，20MHz R/R CMS

（论坛精彩评论：反相放大器通常不受输入级影响。同相放大器的增益大于等于2时也可以防止这个问题）