理解运放的轨至轨特性

面包板社区 2020-03-09 00:00

精密双向电流传感放大器，提供精准测量 超越传统分流器：探索新型电流传感解决方案

跟随器电路：

前级采样电阻上的采样电压 VI_AMP_IN 经 U6 的跟随作用 VI_AMP_OUT 送至 ADC 进行A/D 转换，
U6 在此处的作用：减轻“负载效应”提高采集精度。
D3，D4 为运放的输入保护二极管，当输入异常电压比电源电压还要高 VF（二极管正向导通压降）或者比地电位低 VF时，二极管将会导通钳位。

1、LMV831 的主要特性
 其一，该运放输入误差电压 VOS最大为 1mV，有利于提高整体精度； 其二，由于采用 CMOS 工艺，输入偏置电流低至 0.1pA，故不需要在消除偏置电压上花费额外精力； 其三，输出驱动电流达到 30mA，很适合与 ADC 配合使用； 其四，该运放在 1.8GHz 的频率下 EMIRR 高达 120dB，这一特性有利于抵抗板上射频模块的干扰； 其五，轨至轨输出，在单电源供电条件下非常重要。

2、输出特性

从上表可以看出负载越重，运放输出轨至轨特性越差，但因为本次案例运放后级是连接低速 ADC，因此负载很轻，取表中的 6mV（VOH）和 5mV（VOL）作为典型值即可。
单电源供电条件下，会将负载电阻 RL接至 V+/2，实则是以 V+/2 作为虚拟地。

3、仿真验证
建立仿真电路如下：

如 Figure 1-2 所示，将 LMV831 搭成放大倍数为 2 的同相放大器，同时输入幅值为 5V，频率为 10Hz 的三角波（为了能让输出饱和），仿真结果如 Figure 1-3 所示，
显然，输出幅度非常接近 LMV831 的供电电压 4.5V，量得幅值为 4.49V（梯形波形的平台部分），波形下端也接近 0V，从而证实了该运放的轨至轨输出特性。

4、轨到轨，还有细节需要注意：

ADC 的可接受电压范围为 0~4.096V，而现在 LMV831 搭成的跟随器可以支持 0~4.49V 的输出，似乎万事俱备，若前级采样电压也是 0~4.096V 范围（即运放输入电压），整个电路堪称完美！然而，直觉告诉我，事情肯定没这么简单。我突然想起当初选型时，TI 的运放筛选条件下，有一个 Rail-to-Rail选项：

这个选项从左到右分别为：输入轨至轨，输出轨至轨，输入到正轨，输入到负轨——等等，那么 LMV831 是否支持轨至轨输入？我满怀期待，然而遗憾的是，LMV831 数据手册并未提及输入是否也是轨至轨，进一步查阅发现该运放在 3.3V 供电时，共模输入范围为-0.1V~2.1V！也就是说3.3V供电的时候，LMV831 是不支持轨至轨输入的！

5、输入特性
运放的共模输入范围与供电电压密切有关，电压越高，输入范围越大。为了验证 4.5V 供电电压下的最高不失真输入电压，搭建了 Figure 1-4 所示的仿真电路。

对该电路执行“参数仿真”，分别测试供电电压为 3.3V、3.9V、4.5V 下的输出电压，如 Figure 1-5 所示，三角波为输入波形，3 个类似等腰梯形的波形为运放输出，其中，暗黄色为 4.5V 供电电压时的输出，绿色对应 3.9V 供电电压，紫色对应 3.3V 供电电压，显而易见：第一，LMV831 并非轨至轨输入；第二，该运放的共模输入范围随供电电压的提高而扩大，在 4.5V 供电电压下跟随器（增益为 1）最大输出电压约为 3.39V，也即最大输入电压为 3.39V。简言之，4.5V 供电电压下，LMV831 的最大共模输入电压（不失真）为 3.39V。

在得知这个真相之后，一方面将运放的供电电压从 3.3V 提高到 4.5V,提高输出的范围，另一方面将采样电阻值改小，从而让最大采样电压小于 3.39V，从而规避了改板的风险！

6、实际验证
实际产品中用了 91:34 的电阻对输入 0~10V 进行分压
，分压再经电压跟随器送至 ADC 进行 A/D 转换，分别测量电阻采样电压、运放输入端电压、运放输出端电压、A/D 转换电压，绘出 Figure 1-6。

留意表格 1-2 的数据，随着运放输入电压缓慢接近“阈值”，传递误差急剧增加，当输入电压为 3.9954V 时，运放索性饱和输出 4.5460V！通过绘制图表 Figure 1-6 可以很明显观察到这个现象，从而证实了猜想。实际上我的目的也达到了，因为我只需要 0~12V 外部输入时线性度满足 0.2% F.S 就足够了。