前言

今天我们继续讲运放spec，主要涉及Input Common Mode Voltage Range、Output Voltage Swing、Rail-to-rail等内容。

为便于描述，在此给出运放spec及其对应符号，由于后续图示来自于不同参考资料，可能有些符号会穿插使用，比如Vdd/Vcc/Vs+、Vss/Vee/Vs-、Vout/Vo：

运算放大器的spec与符号

图1 运算放大器的spec与符号

Input Common Mode Voltage Range (Vcm)

Input Common Mode Voltage Range，即：输入共模电压范围，符号Vcm，指运放两个输入端可以接受的电压幅度范围。

我觉得也可以简单理解为Input Voltage Range。之所以加“Common Mode”是因为预设运放只对两个输入端的电压差异感兴趣，比如，Vin+=3V，Vin-=2V，两者差异是1V；Vin+=103V，Vin-=102V，两者差异也是1V；对于这两种情况，理想运放的输出是一样的。而实际Vin+能否为103V，Vin-能否为102V，是否会让运放工作异常或者损坏？正是这个指标所要描述的。

一般来说，输入信号的电压范围，不会大于供电的电压范围，应该比供电的电压范围更小一点。我们来看下原因。

下图是运放内部输入端的简易图示，由Vcc、电流源、Q1、Q2两个晶体管组成。

运算放大器Input Common Mode Voltage最大电压限制

图2 运算放大器Input Common Mode Voltage最大电压限制

在正常工作时，电流源、Q1、Q2都有一定的偏置电压，如典型的电流源需要0.3V压降，Q1和Q2需要0.6V压降，这意味着Vcm不能高于Vcc - 0.3V - 0.6V上限，如果高了，则运放处于非正常工作区域，信号会有失真。

同样的，运放输入端下方连接Vee，这里也有晶体管，如下图中的Q3、Q4：

运算放大器Input Common Mode Voltage最小电压限制

图3 运算放大器Input Common Mode Voltage最小电压限制

Q3、Q4这两个管子正常工作也需要偏置电压，压降是0.6V，所以Vcm不能低于Vee + 0.6V下限，如果低了，则运放处于非正常工作区域。

所以，我们来看下Input Common Mode Voltage Range与Vcc、Vee的关系，它是正负电源的一个子集：

运算放大器Input Common Mode Voltage是正负电源的一个子集

图4 运算放大器Input Common Mode Voltage是正负电源的一个子集

实际情况，Vcc、Vee本身有一个范围，在这个范围里，Vcm的上下限相对Vcc、Vee并不固定，特别在极限值时非线性特性会凸显，所以用以下这种曲线图形来描述Vcm相对±V的上下限，Vcm(hi)代表上限，Vcm(lo)代表下限：

运算放大器Input Common Mode Voltage上下限是±V的相对值曲线

图5 运算放大器Input Common Mode Voltage上下限是±V的相对值曲线

Output Voltage Swing (Vom)

Output Voltage Swing，即：最大输出电压， 符号Vom，指当静态直流输出电压为零时，在不发生波形削波的情况下可以获得的最大正或负输出电压峰值。Vom与输出晶体管、电源电压有关，也受输出阻抗、负载的影响。

我们看下运放内部输出端的简易图示：

运算放大器Output Voltage Swing最大输出电压范围

图6 运算放大器Output Voltage Swing最大输出电压范围

由于R1、R2、Q6、Q7的存在，Vom输出最大值 ≤ +Vcc– VR1 – VBEQ6 – VSATQ6，Vom输出最小值 ≥ –Vee + VR2 + VBEQ7 + VSATQ7。

其中VR1、VR2与负载有关系，当负载比较轻（阻抗大），输出电流比较小，则VR1、VR2压降小，输出越接近电源电压；当负载比较重（阻抗小），输出电流比较大，则VR1、VR2压降大，输出越远离电源电压；

Rail-to-Rail 轨到轨

运算放大器的供电电源，称为轨（Rail）。

早期的运算放大器设计在±15V 至±18V 双电源供电。它们的输入和输出电压范围的上限和下限分别为正电源轨以下几伏，或负电源轨以上几伏，如下图的Vin1和Vout1：

运算放大器电源轨Rail与输入电压、输出电压范围

图7 运算放大器电源轨Rail与输入电压、输出电压范围

后来随着手机等低功耗应用普及，运放的供电电压越来越小，并且希望是单电源供电，如+5V至0V，+3.3V至0V，甚至 +1.8V至0V。因为可用电压范围变小了，这要求运放的输入和输出尽量涵盖整个电源电压范围。从而诞生了轨到轨输入（rail-to-rail input）、轨到轨输出（rail-to-rail output）或轨到轨输入/输出（rail-to-rail input/output，RR-I/O）的运放。这些是在运放的输入端、输出端有专门满足rail-to-rail的特别设计。

LM358 spec对照

我们来看一下LM358(B)的Input Common Mode Voltage Range与Output Voltage Swing：

LM358(B)的Input Common Mode Voltage Range

图8 LM358(B)的Input Common Mode Voltage Range

LM358(B)的Output Voltage Swing

图9 LM358(B)的Output Voltage Swing

可以看到都是以Positive rail (V+)、Negative rail (V–)来描述的，上下限的电压在距离两个轨道2V以内，所以LM358(B)不是轨到轨的，它和图7中的Vin1和Vout1比较像。

参考资料

参考资料可以从网上搜索获得，主要来自：

  • Microchip AN722
  • Microchip AN723
  • Renesas R13TB0002EU0100
  • TI SLOA011B
  • ADI MT-041
  • TILM358或LM358B的spec

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