利用快速轨到轨运算放大器减少低压高速系统的设计限制

　　不断降低系统功耗的要求以及减少系统中电源电压数量的

　　期望推动着业界向更低电源电压这一趋势发展。降低电源

　　电压、减少电源数量具有明显的优势。其一是可以降低系

　　统功耗，同时还能节省空间。降低总功耗的另一好处在

　　于，将来系统中可能不再需要冷却风扇。

　　然而，随着传统的±15 V和±12 V系统电源电压逐渐让位于

　　更低的±5 V双极性电源和+5 V及+3.3 V单电源，电路设计

　　人员必须清楚，新环境下的设计不是找到额定工作电压较

　　低的器件这么简单。过去使用的设计原则不可能都直接适

　　用低电压环境。

　　降低典型运算放大器的电源电压可起到多种效果。显然，

　　输入和输出端的信号摆幅均减小。信号与轨之间所需裕量

　　（常规放大器一般为1 V至2 V）尽管在±15 V电源下重要性较

　　低，但此时却可大幅缩小可用信号的范围。虽然这种缩减

　　一般不会增加系统中的噪声水平，但会导致信噪比恶化。

　　由于设计人员无法再通过提高电源电压、加大信号摆幅等

　　技术来“覆盖”噪声水平，因此必须更加注意系统中的噪声

　　水平。

　　带宽和压摆率都会随着电源下降而降低。然而，需要注意

　　的是，为了维持相同的带宽，较小的信号摆幅需要更低的

　　压摆率。选择运算放大器时，必须仔细研究数据手册。在

　　此，列出了不同电源电压条件下（如±5 V、+5 V和+3 V）压

　　摆率和带宽以及相应负载条件的数据手册规格参数是非常

　　有用且必要的。

　　轨到轨放大器可视为降低电源电压这一难题的一种解决方

　　案。若未明确定义，轨到轨这个术语指输入和/或输出可能

　　摆

　　至接近两个轨的器件。这种定义并不规定“接近两个轨”的

　　确切值，也不指定维持轨到轨性能的负载条件。轨到轨运

　　算放大器属于一种单电源运算放大器，也就是单轨器件。

　　单电源运算放大器的输入和输出不一定能接近轨。为了正

　　确使用轨到轨和单电源运算放大器，必须对一些常用的输

　　出级有个基本了解。

　　图1所示为两个典型高速运算放大器输出级。发射极-跟随

　　器级广泛应用于低失真运算放大器中。其输出电压摆幅受

　　限，稍大于供电轨的一个二极管压降。现实应用中，裕量

　　更接近1 V。为了在高频下维持低失真，可能需要更多裕

　　量，从而进一步降低可用峰峰值摆幅。如果添加一个以负

　　轨（单电源应用中为接地）为基准的外部负载电阻（典型值为

　　50 Ω至500 Ω），则可提供一个输出下拉通道。再结合NPN

　　和PNP晶体管基极上的偏置，可以关闭PNP晶体管。这样

　　做允许将输出拉至接近负轨的水平，结果使输出级的表现

　　非常接近简单的NPN跟随器。这样只允许电压接近负轨。

　　负载电阻需要以正电源为基准，才能使输出级接近正轨。

　　这种配置的另一潜在缺点在于，当信号摆幅大于数百毫伏

　　时，将吸取较大的负载电流。举例来说，使用50 Ω下拉电

　　阻时，如果目标峰峰值摆幅为2V，则会从运算放大器吸取

　　40 mA的电流。