有一類特殊的放大器具有非常低的端邊占用電壓(headroom)要求, 稱之謂輸出擺幅與供電電壓相同(軌至軌rail to rail)放大器。由于它們獨特的功能可工作在它們的輸人and/or輸出范圍的極限值。在或接近地and/or接近正端(在幾個毫伏之內(nèi))。這樣就顯著地增大了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。達到幾乎整個電源電壓范圍。傳統(tǒng)的運算放大器輸入設(shè)計或者采用NPN雙結(jié)型晶體管(BJT)---該型器件具有高帶寬,較低的噪聲和低漂移優(yōu)點,但消耗的電流較大---或者采用場效應(yīng)結(jié)型晶體管(JFET).該型器件具有非常高的輸入阻抗,非常低的漏(偏置)電流和低失真優(yōu)點。 不幸的是,兩種設(shè)計都要求在雙電源即+和-電源下工作并且要求在每一端有2～3V的端邊占用電壓(heallroom)以便有效地工作在它們的線性范圍之內(nèi)。 軌至軌放大器采用一種特殊的輸入結(jié)構(gòu),采用背靠背NPN和PNP輸入晶體管和雙折式共射共基放大電路使輸入可達到每一個電源端點的幾個毫伏之內(nèi)。 傳統(tǒng)運放的輸出級使用一個按AB類工作安排的NPN-PNP射極跟隨器對.輸出擺幅受到每個晶體管的Vbe, 外加串聯(lián)電阻上IR壓降的限制。軌至軌放大器的輸出從NPN-PNP對結(jié)構(gòu)的集電極引出,輸出擺幅僅受到晶體管Vcesat(該值可以僅為幾個毫伏,這取決于集電極-發(fā)射極間的電流)、Ron和負(fù)載電流的限制。 一個軌至軌放大器特性好到什么程度的標(biāo)志是它在零電壓或接近電源電壓時保持線性的能力。 簡單說就是在整改量程范圍內(nèi)，運放都需要保持線性。

另一篇文章：

運算放大器的 rail-to-rail 特性

rail-to-rail，即“軌至軌”，有時也稱為“滿擺幅”，是指輸出(或輸入)電壓范圍與電源電壓相等或近似相等。從輸入方面來講，其共模輸入電壓范圍可以從負(fù)電源電壓到正電源電壓;從輸出方面來講，其輸出電壓范圍可以從負(fù)電源電源到正電源電壓。也可以說，這是一個與供電電壓密切相關(guān)的特性，對器件的輸入或輸出無失真動態(tài)范圍有很大的影響，當(dāng) ΔV 很小時(10mV--100mV)，無失真動態(tài)范圍最小電壓為 VSS+ΔV，最大值為 VCC-ΔV，具有這樣動態(tài)范圍的運放就叫Rail to Rail運放。

理想狀態(tài)下，器件的正常工作輸入與輸出電壓范圍可同時達到運放正負(fù)電源端的電壓范圍。實際上，器件很難達到真正的“軌至軌”。比較常見的“軌至軌”表現(xiàn)方式有，輸入 rail-to-rail;輸入達到或超過 Vee;輸出比較接近 rail-to-rail;在同一器件上的輸入/輸出實現(xiàn)(或接近)rail-to-rail。這里需要特別強調(diào)，輸入和輸出不一定都能夠承受rail-to-rail 的電壓。盡管器件被指明是軌至軌，不代表器件的輸入和輸出都支持軌至軌。存在運放的輸出或者輸入不都支持軌至軌的可能，這樣的話，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會使運放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考 Dasheet 是否輸入和輸出是否都是軌至軌。

可以看到，一些器件制造商在產(chǎn)品簡介或 Datasheets 的中過分強調(diào)宣傳這一特性，但不容回避的現(xiàn)實是，當(dāng)器件工作在這些邊界附近時，性能均會有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比;Ro--輸出內(nèi)阻;Avd--差模開環(huán)增益等。

傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運放、A/D、D/A 等，其模擬引腳的電壓擺幅一般都達不到電源的幅值。例如，以供電電源為 +/-15V的運算放大器為例，為安全工作并確保性能(首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠高的 CMRR)，要求運放的輸入范圍一般不要超過 +/-10V，在常溫下也不要超過+/-12V;而對于輸出范圍，負(fù)載 RL>10kohm 時一般只有 +/-11V，小負(fù)載電阻 RL<600ohm 時只能保證 +/-10V。這對器件的應(yīng)用帶來很多不便。

具備 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低壓器件(雙電源 +/-5V 或單電源 +5V 供電)，輸入/輸出電壓都能達到電源值(有的輸入甚至可以超過)。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PNP 互補輸入結(jié)構(gòu)。rail-to-rail 器件的某些設(shè)計思想，對我們自己設(shè)計電路也可以提供一些有益的思路。

即使“軌至軌”器件的輸入或輸出電壓幅度即使達到電源電壓的上下限，此時放大器也不會像常規(guī)運放那樣發(fā)生飽和失真或翻轉(zhuǎn)。例如，在單電源 +5V 供電的條件下，即使輸入、輸出信號的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信號也不會發(fā)生截止或飽和失真，從而大大增加了運算放大器的動態(tài)范圍。這在低電源供電的電路中尤其具有實際意義。再比如，綜合比較 TLC2274(軌到軌)與 OP07(非軌到軌)的輸入輸出范圍，可以看到，TLC2274 的動態(tài)范圍可達 4.8V，而 OP07(及其它非軌到軌特性的運放)的動態(tài)范圍僅 3V 左右。

軌至軌輸入/輸出特性，擴大了動態(tài)范圍，避免了補償輸入級常見的交越問題，這種設(shè)計降低了失真，在整個輸入電壓范圍內(nèi)，甚至比比電源電壓高 100mV 左右，實現(xiàn)了較高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整體性能，非常適合驅(qū)動 A/D 轉(zhuǎn)換器，而不會造成差分線性衰減。

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