运放的输入轨、输出轨及电源轨

电源 供电与输入输出轨

我们在选择运放的时候，第一步需要考虑的就是运放的供电。大部分情况下，我们需要放大的信号都是共模电压接近0的微弱直流或者交流信号，如果我们选择了需要正负供电的运放，而提供的负电源轨又是GND的时候，小信号往往无法得到正确的放大，造成电路设计错误。

因此，在面对运放的其他参数选择前，我们应当明确运放的几个重要且非常基本的参数：供电范围，共模输入范围（输入轨），以及输出轨。

运放的输入轨

由于运放的同向反向输入电压在正常工作模式下几乎相等，比如同向端输入电压是25mV，运放在负反馈的闭环工作情况下，反向端电压可能是24.999mV，则他们的共模电压是24.9995mV。由于这三者之间的差异非常小，我们通常可以用任意一端的电压来表征其他两个输入电压。

运放能够放大的信号是根据电源轨决定的，一般运放都会给出一个共模输入范围，这个范围是根据运放的正负电源供电范围决定的。因此，我们首先要确认，如何使得我们需要放大的信号，能够被运放的共模输入电压范围所覆盖，比如下图TL072的描述，他的共模输入范围就是负电源轨道+1.5V到正电源轨。

再比如常用的LM358，特点就是支持进地端的测量，因此，其共模输入范围能够从负电源轨延伸到正电源轨-1.5V。

如果选择了第一种TL072的物料，也就是输入范围是(Vs-)+1.5V到Vs+,这个时候，如果我们将Vs-设置为GND，则输入的范围最小就达到了1.5V,无法针对1.5V以下的电压进行测量了。此时如果仍然想对0点附近的小信号进行测试，则必须构建负电源，将Vs-设置为，比如-5V，那么此时的共模输入范围就变成了-3.5V到3.5V，对于0点附近的小信号仍然可以正常放大。

而对于第二种运放，输入范围是(Vs-)到（Vs+）-1.5V。这个时候，如果我们将Vs-设置为GND，Vs+设置为5V，则共模电压输入范围就是0-3.5V，此时我们可以放大比如30mV的小信号。往往将这类运放称为，单电源运放。但是随着理解的深入，我反而觉得这个称呼会带来错误的诱导，因为我们的电源都是有一个参考，单电源只不过是默认了负电源为GND而已。而且如果要放大的信号共模电压如果是4.5V，那么第二种运放，就算单电源供电，同样也无法正常工作。因此理解了输入信号与输入共模电压的关系，以及输入共模电压和电源轨的关系的本质，我们才可以做出正确的判断。

运放的输出轨

我们再来说运放的输出轨，众所周知，我们使用运放的目的是，将信号进行放大，那么必然我们期望运放的输出电压是比较大的信号，通常在V的级别。但是运放的放大倍数是否能够设置成很大呢？答案肯定是否定的，其中有一个因素就是，运放输出的电压，不能超过输出电源轨。而输出电源轨，又是由供电轨决定的，还是以TL072为例。其输出相对于电源轨的摆幅，距离正电源轨可以达到1.5V。这意味着如果你的供电是5V，则最大输出信号只能达到3.5V。

而有一类运放，能够将输出的摆幅做到与电源轨基本一致，这类运放我们成为轨到轨运放，这里的两个“轨”，指的就是输出的电压能够逼近（注意是逼近，而不是等于）电源轨。而区分是否为轨到轨运放的指标，也就是输出电压与电源轨的差距，通常认为是500mV，比如下图的OPA2188，宣传的特点就是轨道轨运放，其输出电压距离电源轨的电压差异基本在350mV以内。

这样当我们给运放供电电源为±5V，输出不接负载的时候，其输出电压能够达到-4.985~+4.985V。

运放的电源轨

介绍完了输入轨与输出轨，电源轨的概念就非常好理解了，电源轨给我们提供了一个工作的电压区域，这个区域划定以后，通过运放的参数特性决定了输入共模的电压范围以及输出电压的范围，这两个范围都不可能超过电源轨的电压范围（至少我还没遇到过，也不排除有的运放可以内置升压电路）。那也许你还会想，既然电源轨的范围很重要，那我把电源轨的范围设置成非常宽，比如±18V，这样就能够适应很大的输入和输出范围了。比如下面这个运放，建议的电源电压范围内就是40V，也就是最大可以给到±20V的供电电压。给足够大的范围是可以适配更大的输入和输出范围，但是构建这个大范围的电源，往往带来额外的成本。因此还是需要综合考虑整体系统的输入输出指标，最终确定满足要求的最合理的供电电源。