硬件设计基础：什么是 rail-to-rail运算放大器？

今天作AO板子，发现参考电压需要精度非常之高，需要用到一种特殊的至轨(rail to rail) 运放，以前没有怎么用过，将网上搜索的相关知识放到此处以便学习。至于其具体工艺尚待研究。

      有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求,

称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。由于它

们独特的功能可工作在它们的输人and/or输出范围的极限值。在或接近地

and/or接近正端（在几个毫伏之内）。这样就显著地增大了系统的动态范

围。达到几乎整个电源电压范围。

      传统的运算放大器输入设计或者采用NPN双结型晶体管（BJT)---该

型器件具有高带宽,较低的噪声和低漂移优点,但消耗的电流较大---或者

采用场效应结型晶体管（JFET）．该型器件具有非常高的输入阻抗,非常

低的漏（偏置）电流和低失真优点。

    不幸的是,两种设计都要求在双电源即+和-电源下工作并且要求在每

一端有2～3V的端边占用电压（heallroom）以便有效地工作在它们的线性

范围之内。

    轨至轨放大器采用一种特殊的输入结构,采用背靠背NPN和PNP输入晶

体管和双折式共射共基放大电路使输入可达到每一个电源端点的几个毫伏

之内。

    传统运放的输出级使用一个按AB类工作安排的NPN-PNP射极跟随器对．

输出摆幅受到每个晶体管的Vbe, 外加串联电阻上IR压降的限制。轨至轨放

大器的输出从NPN-PNP对结构的集电极引出,输出摆幅仅受到晶体管Vcesat

（该值可以仅为几个毫伏,这取决于集电极-发射极间的电流）、Ron和负

载电流的限制。

      一个轨至轨放大器特性好到什么程度的标志是它在零电压或接近电源

电压时保持线性的能力。 简单说就是在整改量程范围内，运放都需要保持线性。

 

另一篇文章：

运算放大器的 rail-to-rail 特性

    rail-to-rail，即“轨至轨”，有时也称为“满摆幅”，是指输出(或输入)电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出电压范围可以从负电源电源到正电源电压。也可以说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动态范围有很大的影响，当 ΔV 很小时(10mV--100mV)，无失真动态范围最小电压为 VSS+ΔV，最大值为 VCC-ΔV，具有这样动态范围的运放就叫Rail to Rail运放。

    理想状态下，器件的正常工作输入与输出电压范围可同时达到运放正负电源端的电压范围。实际上，器件很难达到真正的“轨至轨”。比较常见的“轨至轨”表现方式有，输入 rail-to-rail；输入达到或超过 Vee；输出比较接近 rail-to-rail；在同一器件上的输入/输出实现（或接近）rail-to-rail。这里需要特别强调，输入和输出不一定都能够承受rail-to-rail 的电压。尽管器件被指明是轨至轨，不代表器件的输入和输出都支持轨至轨。存在运放的输出或者输入不都支持轨至轨的可能，这样的话，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考 Dasheet 是否输入和输出是否都是轨至轨。

    可以看到，一些器件制造商在产品简介或 Datasheets 的中过分强调宣传这一特性，但不容回避的现实是，当器件工作在这些边界附近时，性能均会有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比；Ro--输出内阻；Avd--差模开环增益等。
　　
    传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A 等，其模拟引脚的电压摆幅一般都达不到电源的幅值。例如，以供电电源为 +/-15V的运算放大器为例，为安全工作并确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够高的 CMRR），要求运放的输入范围一般不要超过 +/-10V，在常温下也不要超过+/-12V；而对于输出范围，负载 RL>10kohm 时一般只有 +/-11V，小负载电阻 RL<600ohm 时只能保证 +/-10V。这对器件的应用带来很多不便。　　

    具备 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低压器件（双电源 +/-5V 或单电源 +5V 供电），输入/输出电压都能达到电源值（有的输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP 互补输入结构。rail-to-rail 器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。

    即使“轨至轨”器件的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和失真或翻转。例如，在单电源 +5V 供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了运算放大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。再比如，综合比较 TLC2274（轨到轨）与 OP07（非轨到轨）的输入输出范围，可以看到，TLC2274 的动态范围可达 4.8V，而 OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅 3V 左右。

    轨至轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越问题，这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高 100mV 左右，实现了较高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动 A/D 转换器，而不会造成差分线性衰减。