在當前的電子系統(tǒng)中，負電源正在消失,，正電源電壓也在逐漸降低。這種趨勢使得軌到軌放大器日益流行,。盡管電源電壓在不斷地改變,，但信號電平通常保持不變。例如,，標準的視頻信號為2V,，當電源電壓降低到2V時，放大器/緩沖器必須線性地,、準確地工作于整個2V電壓范圍內(nèi),。本文將專門討論軌到軌放大器" title="軌到軌放大器">軌到軌放大器輸入級的發(fā)展，并詳細討論克服了軌到軌放大器缺點的輸入增強電路,。
為簡單起見,，我們的討論僅限于MOSFET" title="MOSFET">MOSFET放大器。圖1顯示了基本運放的輸入級,。一個被稱為差分對的晶體管對位于電流源上端,，用以適應差分輸入。盡管這種拓撲能夠提供差分增益并抑制共模信號,，但其局限性在于其工作范圍,。在3V的單電源條件下，輸入電壓范圍在0~1.5V,。如果輸入電壓高于1.5V,，電流源將被迫退出飽和狀態(tài)。一旦電流源離開飽和區(qū)域,，增益將失真,。
圖1：基本運放的輸入級,。
對于像電流檢測或電壓檢測這樣的實例應用(如EKG),，設(shè)計質(zhì)量與能夠處理的信號電壓范圍直接相關(guān)。標準的軌到軌運放拓撲結(jié)構(gòu)能滿足這種挑戰(zhàn),，該拓撲有兩個輸入級(如圖2所示),。當輸入電壓接近低電壓軌時，PMOS晶體管對放大信號,。相反地，NMOS差分對放大接近上限電壓軌的輸入信號,。通過這種方式,，輸入電壓范圍可以為整個電源電壓范圍。為獲得這種輸入電壓范圍的改善,，最明顯的折衷是需要額外的電源來偏置互補差分對,。
圖2：軌到軌工作的雙輸入級。
相對于輸入偏置電壓,，偏置電壓存在不太明顯的折中,。NMOS對的偏置不必與PMOS對的偏置匹配-發(fā)生偏置時極性反向。在電源電壓中間附近,，存在從一個對到另外一個對的切換,。在切換期間，偏置電壓為每個對的偏置電壓的平均值,。這就產(chǎn)生了一個階梯的特性(如圖3所示),。為了更深入了解，圖中給出了不同溫度的偏置電壓,。低共模輸入電壓下激活的PMOS輸入對表現(xiàn)出相對于溫度很寬的偏置電壓范圍,。NMOS對的變化導致圖中右邊對于高共模輸入電壓的分布情況。
圖3：相對于輸入共模電壓的輸入偏置電壓,。
如前所述的EKG等檢測應用中，偏置電壓的任何變化都會影響到系統(tǒng)的精度,。信號必須先被放大到遠遠高于偏置電壓的電平,，以利用像圖2所示拓撲結(jié)構(gòu)的軌到軌放大器。
在高精度和低功耗的應用中,，需要一種新型的軌到軌放大器,。目的是在沒有交叉偏置電壓失真的情況下獲得全范圍的輸入電壓，這種交叉失真發(fā)生在雙差分設(shè)計中的切換期間,。讓我們重新回到單差分設(shè)計,。圖1所示拓撲的輸入范圍不支持整個范圍的輸入操作。輸入范圍的一部份預留下來用于偏置飽和區(qū)中的電流源,。電流源能以一種允許輸入橫跨電源軌之間的方式實現(xiàn)偏置嗎,？在像EL8178" title="EL8178">EL8178這樣的運放中包括了輸入范圍增強電路，用于調(diào)節(jié)提供給電流源的內(nèi)部偏置,。圖4展示了這種創(chuàng)新的拓撲,。在增強電路中是一個電荷泵。盡管電荷泵常常會導致噪聲問題,，但電荷泵的工作頻率遠超過放大器的帶寬,。因此，放大器的噪聲性能不會有明顯的改變,。
圖4：帶輸入范圍增強電路的軌到軌輸入級
此外,，我們必須重新考慮偏置電壓的問題。圖5實現(xiàn)了保持偏置電壓的目標,。輸入范圍增強電路允許單個運放對來提供軌到軌操作,，不需要另外的互補差分對,。偏置電壓完全決定于僅僅一組晶體管的失配，因此沒有交叉區(qū)域,。認真的布局和修整可以確保輸入基準偏置電壓低于100V,。
圖5：相對于輸入共模電壓的增強輸入軌到軌級輸入偏置電壓,。
到此為止,，我們的討論僅局限于MOSFET實現(xiàn)方式。雙極技術(shù)也能受益于這種配置,。除了改善偏置電壓,，雙極技術(shù)實現(xiàn)在輸入偏置電流上還能表現(xiàn)出類似的改善。輸入偏置電流僅提供給一個匹配差分對,，而不是具有交叉區(qū)域的兩個差分對,。
以上是軌到軌放大器的演進過程。由一個差分對組成的基本輸入級不允許輸入全范圍的電壓,。雙差分對將輸入電壓范圍擴展到電源電壓,，但是偏置電壓(以及在BJT中的偏置電流)具有非線性，這是因為兩個對之間的切換引起的,。第三種解決方案包括一個內(nèi)部增強電路來調(diào)整單差分對的電流源偏置,，以實現(xiàn)偏置電壓連續(xù)條件下的軌到軌操作。表1總結(jié)了3種實例運算放大器的性能,。最終版本EL8178提供了低功率,、高分辨率系統(tǒng)(如便攜式EKG機器)所需的規(guī)范。
表1：具有三個不同輸入級的運放性能特性參數(shù),。
