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怎样理解运放的轨至轨特性?

原标题:怎样理解运放的轨至轨特性?

跟随器电路:

怎样理解运放的轨至轨特性?

前级采样电阻上的采样电压 VI_AMP_IN 经 U6 的跟随作用 VI_AMP_OUT 送至 ADC 进行A/D 转换,U6 在此处的作用:减轻“负载效应”提高采集精度。D3,D4 为运放的输入保护二极管,当输入异常电压比电源电压还要高 VF(二极管正向导通压降)或者比地电位低 VF时,二极管将会导通钳位。

1 LMV831 的主要特性

  • 其一,该运放输入误差电压 VOS最大为 1mV,有利于提高整体精度;
  • 其二,由于采用 CMOS 工艺,输入偏置电流低至 0.1pA,故不需要在消除偏置电压上花费额外精力;
  • 其三,输出驱动电流达到 30mA,很适合与 ADC 配合使用;
  • 其四,该运放在 1.8GHz 的频率下 EMIRR 高达 120dB,这一特性有利于抵抗板上射频模块的干扰;
  • 其五,轨至轨输出,在单电源供电条件下非常重要。

2 输出特性

怎样理解运放的轨至轨特性?

从上表可以看出负载越重,运放输出轨至轨特性越差,但因为本次案例运放后级是连接低速 ADC,因此负载很轻,取表中的 6mV(VOH)和 5mV(VOL)作为典型值即可。

单电源供电条件下,会将负载电阻 RL接至 V+/2,实则是以 V+/2 作为虚拟地。

3 仿真验

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建立仿真电路如下:

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如 Figure 1-2 所示,将 LMV831 搭成放大倍数为 2 的同相放大器,同时输入幅值为 5V,频率为 10Hz 的三角波(为了能让输出饱和),仿真结果如 Figure 1-3 所示,显然,输出幅度非常接近 LMV831 的供电电压 4.5V,量得幅值为 4.49V(梯形波形的平台部分),波形下端也接近 0V,从而证实了该运放的轨至轨输出特性。

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4 轨到轨,还有细节需要注意

ADC 的可接受电压范围为 0~4.096V,而现在 LMV831 搭成的跟随器可以支持 0~4.49V 的输出,似乎万事俱备,若前级采样电压也是 0~4.096V 范围(即运放输入电压),整个电路堪称完美!然而,直觉告诉我,事情肯定没这么简单。我突然想起当初选型时,TI 的运放筛选条件下,有一个 Rail-to-Rail选项:

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这个选项从左到右分别为:输入轨至轨,输出轨至轨,输入到正轨,输入到负轨——等等,那么 LMV831 是否支持轨至轨输入?我满怀期待,然而遗憾的是,LMV831 数据手册并未提及输入是否也是轨至轨,进一步查阅发现该运放在 3.3V 供电时,共模输入范围为-0.1V~2.1V!也就是说3.3V供电的时候,LMV831 是不支持轨至轨输入的!

5 输入特性

运放的共模输入范围与供电电压密切有关,电压越高,输入范围越大。为了验证 4.5V 供电电压下的最高不失真输入电压,搭建了 Figure 1-4 所示的仿真电路。

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对该电路执行“参数仿真”,分别测试供电电压为 3.3V、3.9V、4.5V 下的输出电压,如 Figure 1-5 所示,三角波为输入波形,3 个类似等腰梯形的波形为运放输出,其中,暗黄色为 4.5V 供电电压时的输出,绿色对应 3.9V 供电电压,紫色对应 3.3V 供电电压,显而易见:第一,LMV831 并非轨至轨输入;第二,该运放的共模输入范围随供电电压的提高而扩大,在 4.5V 供电电压下跟随器(增益为 1)最大输出电压约为 3.39V,也即最大输入电压为 3.39V。简言之,4.5V 供电电压下,LMV831 的最大共模输入电压(不失真)为 3.39V。

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在得知这个真相之后,一方面将运放的供电电压从 3.3V 提高到 4.5V,提高输出的范围,另一方面将采样电阻值改小,从而让最大采样电压小于 3.39V,从而规避了改板的风险!

6 实际验证

实际产品中用了 91:34 的电阻对输入 0~10V 进行分压,分压再经电压跟随器送至 ADC 进行 A/D 转换,分别测量电阻采样电压、运放输入端电压、运放输出端电压、A/D 转换电压,绘出 Figure 1-6。

怎样理解运放的轨至轨特性?

留意表格 1-2 的数据,随着运放输入电压缓慢接近“阈值”,传递误差急剧增加,当输入电压为 3.9954V 时,运放索性饱和输出 4.5460V!通过绘制图表 Figure 1-6 可以很明显观察到这个现象,从而证实了猜想。实际上我的目的也达到了,因为我只需要 0~12V 外部输入时线性度满足 0.2% F.S 就足够了。

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