輸入與輸出電壓范圍

關于實際運算放大器的容許輸入和輸出電壓范圍，有一些實際的基本問題需要考慮。顯然，這不僅會根據(jù)具體器件而變化，還會根據(jù)電源電壓而變化。我們可以通過器件選型來優(yōu)化該性能點，首先要考慮較為基礎的問題。

任何實際運算放大器輸入和輸出端的工作電壓范圍都是有限的。現(xiàn)代系統(tǒng)設計中，電源電壓在不斷下降，對運算放大器之類的模擬電路而言，3 V至5 V的總電源電壓現(xiàn)在已十分常見。這一數(shù)值和過去的電源系統(tǒng)電壓相差甚遠，當時通常為±15 V(共30 V)。

由于電壓降低，必須了解輸入和輸出電壓范圍的限制——尤其是在運算放大器選擇過程中。

輸出共模電壓范圍

下圖1大致顯示了運算放大器輸入和輸出動態(tài)范圍的限制，與兩個供電軌有關。任何運算放大器都由兩個電源電位供電，用正供電軌+VS和負供電軌–VS表示。運算放大器的輸入和輸出共模范圍根據(jù)與兩個供電軌電壓限值的接近程度來定義。

圖1：運算放大器輸入和輸出共模范圍

在輸出端，VOUT有兩個供電軌相關限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時，范圍可達飽和上限VS–VSAT(HI)(最大正值)。例如，如果+VS為5 V，VSAT(HI)為100 mV，則VOUT上限(最大正值)為4.9 V。同樣，低電平時，范圍可達飽和下限–VS + VSAT(LO)。因此，如果–VS為接地(0 V)，VSAT(LO)為50 mV，則VOUT下限為50 mV。

顯然，給定運算放大器的內(nèi)部設計會影響該輸出共模動態(tài)范圍，必要時，器件本身的設計應當最大程度地減小VSAT(HI)和VSAT(LO)，以便實現(xiàn)最大輸出動態(tài)范圍。某些類型的運算放大器就采用了這樣的設計，這些放大器通常采用單電源系統(tǒng)專用的設計。

輸入共模電壓范圍

在輸入端，適用于VIN的共模范圍也有兩個供電軌相關限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時，范圍可達共模上限+VS – VCM(HI)(最大正值)。仍以+VS = 5 V為例，如果VCM(HI)為1 V，則VIN上限(最大共模正值)為+VS – VCM(HI)或4 V。

下圖2所示為采用假設運算放大器數(shù)據(jù)時確定VCM(HI)的方法，如上方曲線所示。該運算放大器會在低于圖中所示曲線的VCM輸入下工作。

圖2：運算放大器輸出共模范圍圖示

在實際操作中，實際運算放大器的輸入共模范圍通常規(guī)定為電壓范圍，不必以+VS或–VS為參考。例如，典型的±15 V工作雙電源運算放大器的額定共模工作范圍為±13 V。低電平時，同樣也存在共模下限。通常用–VS+ VCM(LO)來表示，圖2中所示為下方VCM(LO)曲線。如果該器件也是采用±15 V電源電壓，就可以代表典型性能。以單電源為例，–VS = 0 V的情況下，如果VCM(LO)為100 mV，則共模下限為0 V + 0.1 V(即0.1 V)。本例顯示的共模下限在100 mV的–VS范圍之內(nèi)，實際上更適合表示具有共模下限或上限(包括供電軌)的單電源器件。換言之，VCM(LO)或VCM(HI)為0 V。還有包括兩個供電軌、具有共模范圍的單電源器件。然而，單電源器件往往無法提供圖形數(shù)據(jù)(例如圖2所示的共模限值)但是會通過表格形式的額定電壓范圍來說明性能。

運算放大器差分輸入電壓范圍

在正常工作模式下，運算放大器連接至反饋環(huán)路，因此，差分輸入電壓保持在0 V(忽略失調(diào)電壓)。但在某些情況下(例如上電)，運算放大器可能會受到不等于0的差分輸入電壓影響。某些輸入結構需要限制差分輸入電壓來防止其受損。這些運算放大器的輸入通常還具有內(nèi)部背靠背二極管，放大器的簡化原理圖中不一定會顯示這些，但是會顯示±700 mV(最大值)的差分輸入電壓規(guī)格。此外，圖中還顯示最大輸入差分電流規(guī)格。有些放大器內(nèi)置限流電阻，但這些電阻會提高噪聲，因此在低噪聲運算放大器中不予使用。

輸出電流與輸出短路電流

大多數(shù)通用運算放大器都有輸出級，提供對地或?qū)θ我浑娫吹亩搪繁Ｗo。這通常稱為無限短路保護，因為放大器可以無限地將該電流值輸入短路電路。應由運算放大器提供的輸出電流即為此時的輸出電流。通常要設定限制，使運算放大器能夠為通用運算放大器提供10 mA輸出電流。如果運算放大器必須同時具備高精度和大輸出電流，建議使用獨立輸出級(反饋環(huán)路內(nèi))，將精密運算放大器的自發(fā)熱降至最低。該附加放大器通常稱為緩沖器，因為其電壓增益通常為1。有一些運算放大器能夠提供大輸出電流。例如AD8534，這是一種四通道器件，四個部分的輸出電流均為250 mA。注意，如果同時從四個部分輸出250 mA電流，就會超過封裝功耗規(guī)格，放大器會過熱，并且可能會損壞。對低功耗的較小封裝而言，這一問題更加嚴重。

高速運算放大器的輸出電流通常不會限制在較低值，因為會影響其壓擺率和驅(qū)動低阻抗的能力。大多數(shù)高速運算放大器的源電流和吸電流都在50至100 mA之間，但也有一些限制在30 mA以下。即使是具有短路保護的高速運算放大器，溫度也可能會超過結溫(由于短路電流較高)，從而導致器件由于長時間短路而受損。