运算放大器输入共模范围超出的问题

运算放大器输入共模范围超出的问题作者：Todd Toporski，德州仪器(TI) 模拟应用工程师

根据一些对您的应用最为重要的参数，为您的电路选择一个运算放大器（op amp），需要一个复杂的过程。您查看的一些参数可能会包括电源电压、增益带宽积、转换速率和输入噪声电压等等。

您还说明了输入共模范围，对于您的电路中所有运算放大器应用来说，它都是一种重要的关键参数，是这样吧？如果您说“不是”，那么我们强烈推荐您阅读本文。即使您的答案是肯定的，您仍然会发现这篇文章很有帮助。

那些在其整个职业生涯都与运算放大器打交道的工程师们，可能都碰到过运算放大器工作异常的情况。好的一方面是运算放大器输出通常会说明情况。很多时候，如果情况并不“那么好”，其会在输出引脚以一种明显的方式表现出来。非理想输出波形可由输出级的诸多限制因素引起。我们可能会观测到输出端过多电容引起的振荡。否则，在达到全轨电压之前可能会出现削波，因为输出级被限制在低于电源轨电压的电压摆动。

运算放大器输出端出现与输出级无关的异常行为也是可能的。有时，非理想输出信号可能会产生自器件输入端异常。最常见的运算放大器问题是超出器件输入共模范围。但是，“输入共模范围”到底是什么，而超出这一范围又会产生什么影响呢？

输入共模范围定义

谈及运算放大器输入时，输入共模电压（VICM）是工程师首先会想到的一个术语，但其可能会带来一定的初始混淆。VICM描述了一个特殊的电压电平，其被定义为反相和非反相输入引脚（图1）的平均电压。

图1 运算放大器的输入共模电压

它常常被表示为：

VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.

思考VICM的另一种方法是，它是非反相和反相输入即VIN (+)和VIN (–)常见的电压电平。事实证明，在大多数应用中，VIN (+)都非常接近于VIN (–)，因为闭环负反馈使一个输入引脚紧跟另一个，这样VIN (+)和VIN (–)之间的差便接近于零。

对许多常见电路而言确是这样一种情况，其包括电压跟随器、反相和非反相配置。在这些情况下，我们常常假设VIN (+) = VIN (–) = VICM，因为这些电压大约相等。

用于描述运算放大器输入的另一个术语是“输入共模范围”（VICMR），或者更准确的说是“输入共模电压范围”。它是许多产品说明书中经常用到的一个参数，同时也是广大电路

设计人员最为关心的一个参数。VICMR定义了运算放大器器件正确运行所需的共模输入电压“范围”，并描述了输入与每个电源轨的接近程度。

思考VICMR的另一种方法是：它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定义的一个范围。如图2所示，对VICMR的描述如下：

VICMR = VICMR_MAX –VICMR_MIN

其中:

VICMR_MIN = 相对于VCC –电源轨限制

VICMR_MAX = 相对于VCC+电源轨限制

图2 运算放大器的输入共模电压范围

超出VICMR时，便无法保证运算放大器的正常线性运行。因此，保证完全了解输入信号的整个范围并确保不超出VICMR至关重要。

产生混淆的另一个方面可能会是：VICM和VICMR并非标准化缩略语，而各个IC供应商的各种产品说明书通常使用不同的术语，例如：VCM, VIC, VCMR等。结果，我们必需要了解您研究的规范超过了某个特殊输入电压—一个“输入电压范围”。

VICMR因运算放大器而各异

运算放大器的输入级由设计规范和所用运算放大器工艺技术类型规定。例如，CMOS运算放大器的输入级便与双极型运算放大器不同，其区别于JFET运算放大器等。运算放大器输入级和工艺技术的具体情况不在本文讨论范围内，但注意到这些差异存在于各种运算放大器器件之间也很重要。

表1列举了几个德州仪器（TI）运算放大器的例子及其VICMR。“最大电源范围”栏描述了分裂式电源和单电源（括号内）限制。由该表，我们清楚地知道各运算放大器的输入范围VICMR明显不同。根据器件的具体类型，VICMR可能会低于或者超出电源轨。因此，绝不要假设运算放大器可以接收特殊输入信号范围，除非在产品说明书规范中得到核实。

表1 几种不同运算放大器的VICMR举例

值得一提的一种宽输入范围特例是“轨到轨输入运算放大器”。尽管，顾名思义，它是一种输入涵盖整个电源轨范围的运算放大器，但并非所有轨到轨输入器件都如许多人设想的那样涵盖整个电源范围。许多轨到轨输入运算放大器的确涵盖了整个电源范围（例如：表1中的OPA333等），但有一些则没有全覆盖，而其描述对人具有一定的误导性。另外，检查产品说明书中的规定输入范围至关重要。

VICMR违规举例

VICMR违规常见于单电源运算放大器应用中，这些应用的负轨通常为接地电压即0V，而正轨为正电压，例如：3.3V、5V或者更高。在这些应用中，输入信号范围一般不是非常宽，同时必须较好地理解输入信号和VICMR，以确保正确的运算放大器运行结果。如果违反VICMR，非理想输出行为可导致如低于预期电压电平的信号削波、输出信号电压变化、反相，或者输出过早地达到某个电源轨电压。

为了更好地理解超出VICMR带来的影响，我们列举出了一些此类违规的例子。我们选择两个不同VICMR规范的运算放大器，以说明这些影响。我们之所以选择这些器件，是因为它们具有轨到轨输出，可排除输出级带来的一些限制。图3所示单电源电压跟随器电路，用于获取两个器件的波形。所有数据均在~25°C室温下的实验台获取。

图3 用于评估VICMR的单电源电压跟随器电路

例1

作为第一个例子，我们选择一个TLC2272运算放大器，并通过VCC = 10V为其供电。产品说明书将其典型VICMR范围描述为25°C条件下5V电源电压的–0.3 to 4.2V范围。注意正电源轨附近的输入限制，即VCC以下.8V （或者VCC –.8V)。本例中，我们使用了VCC = 10V，并且所得接近VCC输入限制估计为约9.2V。