電源供電與輸入輸出軌

我們?cè)谶x擇運(yùn)放的時(shí)候，第一步需要考慮的就是運(yùn)放的供電。大部分情況下，我們需要放大的信號(hào)都是共模電壓接近0的微弱直流或者交流信號(hào)，如果我們選擇了需要正負(fù)供電的運(yùn)放，而提供的負(fù)電源軌又是GND的時(shí)候，小信號(hào)往往無法得到正確的放大，造成電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

因此，在面對(duì)運(yùn)放的其他參數(shù)選擇前，我們應(yīng)當(dāng)明確運(yùn)放的幾個(gè)重要且非常基本的參數(shù)：供電范圍，共模輸入范圍（輸入軌），以及輸出軌。

運(yùn)放的輸入軌

由于運(yùn)放的同向反向輸入電壓在正常工作模式下幾乎相等，比如同向端輸入電壓是25mV，運(yùn)放在負(fù)反饋的閉環(huán)工作情況下，反向端電壓可能是24.999mV，則他們的共模電壓是24.9995mV。由于這三者之間的差異非常小，我們通常可以用任意一端的電壓來表征其他兩個(gè)輸入電壓。

運(yùn)放能夠放大的信號(hào)是根據(jù)電源軌決定的，一般運(yùn)放都會(huì)給出一個(gè)共模輸入范圍，這個(gè)范圍是根據(jù)運(yùn)放的正負(fù)電源供電范圍決定的。因此，我們首先要確認(rèn)，如何使得我們需要放大的信號(hào)，能夠被運(yùn)放的共模輸入電壓范圍所覆蓋，比如下圖TL072的描述，他的共模輸入范圍就是負(fù)電源軌道+1.5V到正電源軌。

再比如常用的LM358，特點(diǎn)就是支持進(jìn)地端的測量，因此，其共模輸入范圍能夠從負(fù)電源軌延伸到正電源軌-1.5V。

如果選擇了第一種TL072的物料，也就是輸入范圍是(Vs-)+1.5V到Vs+,這個(gè)時(shí)候，如果我們將Vs-設(shè)置為GND，則輸入的范圍最小就達(dá)到了1.5V,無法針對(duì)1.5V以下的電壓進(jìn)行測量了。此時(shí)如果仍然想對(duì)0點(diǎn)附近的小信號(hào)進(jìn)行測試，則必須構(gòu)建負(fù)電源，將Vs-設(shè)置為，比如-5V，那么此時(shí)的共模輸入范圍就變成了-3.5V到3.5V，對(duì)于0點(diǎn)附近的小信號(hào)仍然可以正常放大。

而對(duì)于第二種運(yùn)放，輸入范圍是(Vs-)到（Vs+）-1.5V。這個(gè)時(shí)候，如果我們將Vs-設(shè)置為GND，Vs+設(shè)置為5V，則共模電壓輸入范圍就是0-3.5V，此時(shí)我們可以放大比如30mV的小信號(hào)。往往將這類運(yùn)放稱為，單電源運(yùn)放。但是隨著理解的深入，我反而覺得這個(gè)稱呼會(huì)帶來錯(cuò)誤的誘導(dǎo)，因?yàn)槲覀兊碾娫炊际怯幸粋€(gè)參考，單電源只不過是默認(rèn)了負(fù)電源為GND而已。而且如果要放大的信號(hào)共模電壓如果是4.5V，那么第二種運(yùn)放，就算單電源供電，同樣也無法正常工作。因此理解了輸入信號(hào)與輸入共模電壓的關(guān)系，以及輸入共模電壓和電源軌的關(guān)系的本質(zhì)，我們才可以做出正確的判斷。

運(yùn)放的輸出軌

我們?cè)賮碚f運(yùn)放的輸出軌，眾所周知，我們使用運(yùn)放的目的是，將信號(hào)進(jìn)行放大，那么必然我們期望運(yùn)放的輸出電壓是比較大的信號(hào)，通常在V的級(jí)別。但是運(yùn)放的放大倍數(shù)是否能夠設(shè)置成很大呢？答案肯定是否定的，其中有一個(gè)因素就是，運(yùn)放輸出的電壓，不能超過輸出電源軌。而輸出電源軌，又是由供電軌決定的，還是以TL072為例。其輸出相對(duì)于電源軌的擺幅，距離正電源軌可以達(dá)到1.5V。這意味著如果你的供電是5V，則最大輸出信號(hào)只能達(dá)到3.5V。

而有一類運(yùn)放，能夠?qū)⑤敵龅臄[幅做到與電源軌基本一致，這類運(yùn)放我們成為軌到軌運(yùn)放，這里的兩個(gè)“軌”，指的就是輸出的電壓能夠逼近（注意是逼近，而不是等于）電源軌。而區(qū)分是否為軌到軌運(yùn)放的指標(biāo)，也就是輸出電壓與電源軌的差距，通常認(rèn)為是500mV，比如下圖的OPA2188，宣傳的特點(diǎn)就是軌道軌運(yùn)放，其輸出電壓距離電源軌的電壓差異基本在350mV以內(nèi)。

這樣當(dāng)我們給運(yùn)放供電電源為±5V，輸出不接負(fù)載的時(shí)候，其輸出電壓能夠達(dá)到-4.985~+4.985V。

運(yùn)放的電源軌

介紹完了輸入軌與輸出軌，電源軌的概念就非常好理解了，電源軌給我們提供了一個(gè)工作的電壓區(qū)域，這個(gè)區(qū)域劃定以后，通過運(yùn)放的參數(shù)特性決定了輸入共模的電壓范圍以及輸出電壓的范圍，這兩個(gè)范圍都不可能超過電源軌的電壓范圍（至少我還沒遇到過，也不排除有的運(yùn)放可以內(nèi)置升壓電路）。那也許你還會(huì)想，既然電源軌的范圍很重要，那我把電源軌的范圍設(shè)置成非常寬，比如±18V，這樣就能夠適應(yīng)很大的輸入和輸出范圍了。比如下面這個(gè)運(yùn)放，建議的電源電壓范圍內(nèi)就是40V，也就是最大可以給到±20V的供電電壓。給足夠大的范圍是可以適配更大的輸入和輸出范圍，但是構(gòu)建這個(gè)大范圍的電源，往往帶來額外的成本。因此還是需要綜合考慮整體系統(tǒng)的輸入輸出指標(biāo)，最終確定滿足要求的最合理的供電電源。

總結(jié)

最后放一張共模輸入范圍，電源軌，以及輸出軌的圖片，作為總結(jié)。

選擇運(yùn)放型號(hào)，先確認(rèn)輸入信號(hào)共模范圍，以及輸出信號(hào)的預(yù)期范圍，綜合系統(tǒng)整體的電源設(shè)定，以及運(yùn)放的<共模輸入范圍>以及<輸出距離電源軌的擺幅>這兩個(gè)參數(shù)指定最終判定運(yùn)放的電源設(shè)計(jì)是否滿足要求。