1200字掌握运放电路的“时髦”参数：“轨至轨”---硬件面试必考题

Part 01

前言

说起运算放大器，我们经常会听到一个词汇：“轨至轨”，英文叫：Rail-to-Rail，在硬件工程师笔试题目中也是一个高频词汇，不懂的人只能说这是嘛玩意啊？为了让大家进考场心里不慌，今天就来详细说说运算放大器的轨至轨参数。

Part 02

轨至轨的定义

什么是轨至轨呢？这里的“轨”可不是铁轨，而是电源轨，因为运放要想正常工作，就需要供电，“正”电源进，“负”电源出，这一正一负两个电源电就是两条轨，所以轨至轨中的两个轨就是对应为运放供电的一正一负两个电源。

“轨至轨”（Rail-to-Rail）在运算放大器中指的是运放的输入和输出信号电压能够达到电源电压的两个极限值（电源轨）。双电源供电的运放的电源轨指的是它的正电源电压和负电源电压，或者对于单电源供电来说，是正电源和GND电压。

轨至轨包含两大部分：输入轨至轨和输出轨至轨，接下来就分别介绍一下。

Part 03

轨至轨输入 VS 轨至轨输出

1. 轨至轨输入

普通运放的输入级通常采用一组单一类型的差分输入晶体管，比如双极型运放可能使用NPN或PNP晶体管，而CMOS运放可能只使用一种类型的 MOSFET（P型或 N型）。这些输入晶体管的导通需要特定的电压范围，如果使用的是NPN晶体管，输入电压必须高于负电源轨一定的电压（如一个 Vbe），否则晶体管无法正常工作。如果使用PNP晶体管，输入电压必须低于正电源轨一定的电压，否则晶体管饱和或失去导通能力。由于输入晶体管需要一定的偏置电压才能正常工作，因此输入电压范围无法覆盖从负电源轨到正电源轨。

然后聪明的工程师就想到，既然用一种类型的晶体管做不到输入电压范围覆盖从负电源轨到正电源轨，那把两种类型的管子组合一起一起用不就行了，通过使用两组互补的差分输入晶体管（比如P型和N型MOSFET）来覆盖整个输入电压范围，使得运放的输入信号电压可以从负电源轨到正电源轨而不出现失真。当输入信号电压接近负电源轨（即接近地）时，P型MOS管导通，输入信号通过P型MOS管进行放大。当输入信号电压接近正电源轨时，N型MOS管导通，输入信号通过N型MOS管进行放大，比如下图这种架构。

2. 轨至轨输出

普通运算放大器的输出受到限制，输出电压无法达到正电压轨或负电压轨。普通运放的输出级通常由双极性晶体管（BJT）或MOSFET组成。这些晶体管在输出时，需要一定的电压才能维持正常的导通状态：对于双极性晶体管的输出级，例如NPN和PNP晶体管，它们需要至少一个 VCE(sat)的电压降（通常约0.2V到1V不等）来保持导通。也就是说，输出电压在接近正电源轨时，不能超过正电源轨电压减去一个 VCE(sat)，在接近负电源轨（接地）时，输出电压不能低于负电源轨加上一个 VCE(sat)

“轨到轨输出”意味着运算放大器的输出电压摆幅可以接近其正电压轨V+和负电压轨V-，通常在V+或V-的10mV至100mV范围内。这特性对于单电源供电的运放来说比较重要，为什么这么说呢？因为对于单电源供电的运放来说，由于电源电压范围相比双电源供电减半了，其负电压轨V-直接接到了GND，那么运放输入为0V时，我们期望的是输出也为0V，但是单电源供电的普通运放受限于运放至轨电压影响，其输出可能达到0.5V之多，这是无法接受的，所以一定要注意！