轨到轨：铁路和运算放大器的电子器件

铁路多年来一直有轨到轨的组件，事实上，这些组件几乎是铁路到铁路。运算放大器采用几乎轨到轨的传统。本应用笔记讨论了轨到轨运算放大器，并解释了为什么某些输入和输出可能小于、接近或略高于电源轨。

介绍

对一些人来说，铁路旅行让人联想到怀旧的形象。他们看着一个旧的火车引擎，它代表了过去时代的时间和生活方式。它暗示了一个更简单、更慢的时间。这种形象与今天的通勤甚至航空旅行完全不同。今天的大多数商务旅行都是在奔波中完成的。可悲的是，在机场安检线等待大约是我们唯一一次不跑来跑去。

轨道设备上的法兰轮引导轨道上的轮子。蒸汽、柴油、电动甚至子弹头列车每天都在轨到轨的法兰车轮上运行。在拐角处和通过开关，法兰引导重载。轮缘是否跨越轨到轨？是的，但不完全是。为了转动，车轮需要一点间隙。需要了解车轮、车轴、轨道和热膨胀的制造公差，才能使铁路安全运行。

Maxim的运算放大器使用轨到轨与铁路无关。尽管如此，铁路还是很好地描绘了这种现象。正如列车的电源轨对列车的横向移动施加了限制一样，运算放大器电源轨也对输入和输出的电压摆幅施加了限制。与铁路一样，对于运算放大器，“轨到轨”可能意味着“几乎轨到轨”。正如我们将看到的，该术语对于输入和输出可能意味着不同的东西。它也可能不仅仅意味着铁路到铁路。

轨到轨和现代运算放大器

早期运算放大器的输出驱动在信号接近电源轨时耗尽电流。当信号峰对峰几伏并且电源为正负 12V 或 15V 时，没有问题。然而，随着电源的减少，轨到轨信号摆幅变得非常理想。因此，电路配置随时间而变化。轨到轨和轨外™输入和轨到轨输出在现代运算放大器上很常见。

图2.具有六个晶体管的早期运算放大器。

第一个运算放大器使用真空管（空心状态器件），然后使用分立晶体管，如图2所示。这些电路导致了集成运算放大器。今天的集成电路非常复杂，复杂的电路使用数百个晶体管。

轨到轨输入

用于轨到轨输入的运算放大器输入级使用两对晶体管。有源器件可以是MOS（图3）、双极性（图4）或CMOS。

图3.MOS轨到轨输入级。

与大多数工程一样，设备之间需要权衡性能。温度稳定性、输入阻抗、频率响应和失调电流因不同的晶体管系列而异。这意味着晶体管的选择取决于应用。1

图4.双极性运算放大器输入级。

在图3和图4中，“P”输入对将在最负电源限值附近处于活动状态。“N”输入对将在最正电源限值附近处于活动状态。在工作范围的中心，信号必须从一对转换到另一对。在转换时，失真将上升，输入电流将在对之间发生变化（图 5）。MAX4122对此进行了说明。当轨到轨输入放大器的共模输入电压从一个电源轨扫描到另一个电源轨时，输入偏置电流在符号和幅度上都会发生变化。许多现代IC技术都集中在减少失真和平衡电流上。

与其他轨到轨运算放大器不同，MAX4091系列运算放大器的过渡区域已扩大至约600mV，以尽量减少这种失配引起的CMRR的轻微下降。仔细研究数据手册对于理解这些问题非常重要。在低电压、低电流运算放大器中，经常会看到有关交越失真的警告，以及建议偏置敏感信号以避免交越点的情况。

图5.MAX4122运算放大器的轨到轨输入级偏置变化

尽管MAX4091运算放大器系列采用双极性工艺，但输入偏置电流通常小于20nA。由于偏置电流在NPN输入级激活时流入器件，在PNP输入级激活时流出，因此有必要考虑该电流的影响。为了减少流经外部源电阻的输入偏置电流引起的失调误差，这些阻抗应匹配良好。数据手册对此进行了详细讨论。

在运算放大器数据手册中还有另一个重要特性需要注意，其声明类似于以下内容：过驱动输入没有反相或闩锁。两者都是早期运算放大器的常见问题，它们在大多数电路中都会造成严重破坏。一些闩锁条件甚至导致设备损坏。

对于MAX4091系列等典型的轨到轨运算放大器，输入共模范围超出正负电源轨50mV。该范围已发展到超过MAX100系列正负电源轨的9910mV。进一步改进后，MAX4220和MAX4091系列开发了专有的超摆幅技术。后一种器件可将 200mV 扩展至正电源轨和负电源轨之外。

图6.输入电路，包括输入范围内的接地。

图6显示了运算放大器的典型双极性配置，该放大器包括共模范围内的接地轨。具有这种负电源轨能力的双极性器件是MAX4493和LMX321系列。CMOS等效器件是MAX4475和MAX4036系列。

轨到轨输出

图7.轨到轨输出级（a）和标准输出级（b）。

就像几乎轨对轨的铁路轮缘一样，运算放大器的输出电路几乎是轨对轨。有关这一点的关键数据手册信息是一条声明，说明输出电压摆幅在负载为“n”Ω电源的“n”mV以内。

轨到轨输出级（图7a）具有共发射极配置，而标准输出级（图7b）具有发射极-跟随器配置。观察数据手册的负载条件。人们可能期望负载接地，但负载通常连接到电源值的一半。轨到轨输出规格始终为轻负载。随着负载（电流）的增加，放大器在电源轨附近的摆幅降低。因此，如果在接近电源幅度（电源轨）的电压下需要低失真大电流，则必须考虑增加电源电压并使用传统的运算放大器。另一种选择是使用MAX4162运算放大器系列，它采用新颖的方法解决标准轨到轨输出级的问题。这些运算放大器具有经典的发射极-跟随器输出级，但通过内部电荷泵转换器实现轨到轨输出，该转换器提供内部电源电压以偏置多个放大器级，包括输出级。因此，输入级具有标准的接地检测配置，但允许输入从地摆幅至V。CC2.与往常一样，应用决定了最佳电路配置。

总结

轨到轨运算放大器具有一系列典型输出摆幅，适用于各种器件。MAX4091系列的典型输出摆幅为15kΩ负载时电源电压的100mV以内。当作为压跟随器连接时，MAX4321的输出摆幅为0.02V至2.97V，采用+3V电源供电，负载为100kΩ接地。MAX4321的最大输出电压摆幅取决于负载，但即使最大负载为300Ω地，在+5V电源的250mV以内。当作为电压跟随器连接时，MAX4230保证在正电源轨的500mV以内（VDD= 2.7V），即使最大负载为32Ω至地。MAX4240–MAX4244的输出级可以驱动高达10kΩ的负载，摆幅仍保持在供电轨的40mV以内。因此，应用程序有助于定义正确的零件。

铁路旅行是怀旧的，轨到轨法兰轮仍然是引导列车。对于运算放大器，我们已经看到输入的“轨到轨”甚至意味着超越轨。对于输出，就像铁路一样，它可能意味着几乎是轨到轨。随着技术的进步，运算放大器可能会继续改进，并且由于其优点，它们将被使用多年。

审核编辑：郭婷