
“軌到軌(rail-to-rail)是一個用來描述運算放大器(op amp)術語,指運放輸入或者輸出信號可以接近于運放供電電源的極值。軌到軌可以指輸出,也可以用來指輸入和輸出。
對運放來說,軌到軌(rail-to-rail)是一個重要的概念。傳統的運放在輸出電壓范圍上通常受到限制,不能完全達到供電電壓的邊界(也稱為"鐵軌(rail)")。然而,軌到軌運放能夠讓輸入或者輸出電壓接近或達到供電電壓的邊界,這使得它們在某些應用中更為靈活和適用。
【資料圖】
要想理解軌到軌得先理解 什么不是軌到軌 。
許多在相對高電壓導軌(例如+/-15V)上工作的運放只能將輸出驅動到導軌附近3或4伏的地方——例如,對于一個雙電源±15伏的供電的運放,運放的輸出電壓只能到+/-12伏。此類運放不是軌到軌運放。
古老的LM741運放不是“軌到軌”的,原因如下:在數據表中的電氣特性表格,輸出電壓擺幅在供電電壓=±15V,輸出負載 2kΩ 的測試條件下被測定為±13V。所以輸出只能在供電軌附近2V以內變化。
反之,軌到軌(rail-to-rail)意味著運放的輸入和輸出可以在接近電源電壓的范圍內工作。
軌到軌這么好,那么問題來了:既然軌到軌這么好,為什么還有非軌到軌運放的存在?
原因就在于 rail-to-rail 的運放,一般都是低壓器件(+/-5V 或single +5V),輸入輸出電壓都能達到電源(輸入甚至可以超過)。注意,上一個句子里有個"一般"。非軌到軌的運放可以輕輕送干到30幾伏的供電電壓。
一個相關的術語,頂部空間(headroom),是衡量信號接近導軌的程度的一個指標。從導軌到輸出信號峰值電壓的距離就是頂部空間。在3.3V的供電電壓下,頂部空間為0.3V,意味著你的信號可以在不失真的情況下達到+/- 3.0V(頂部空間指的是正負供電導軌)。隨著輸出電流的增加,頂部空間也會增加。
圖1:在這個例子中,上導軌是電源電壓VDD。頂部空間是300毫伏,下導軌是地。如果運放是真正的軌到軌,那么削波(深紅色線)就不會發生在4.4伏 VPP。
圖2:另一個放大了的波形圖顯示,當輸出接近其供電電壓極值時,削波可能會發生。VDD是放大器的供電電壓,決定了導軌的位置。
總結:
軌道軌運放可以最大限度輸入或者輸出信號,使得輸入或者輸出信號非常接近于電壓電壓的極值。
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