运放-4. 电源轨与输入输出轨

一、单电源供电

运放的输出电压受到供电电源电压的影响，输出电压不能超过供电电压，由此就产生了一个问题，如果只有正电源供电的运放输出理论值为负值的电压，其实际输出应该是多少呢？我们仿真来说明。

1. 单电源仿真

图1 反向放大电路单电源仿真

如上图，反向放大电路输入为2V，那么理论输出应该为2 * R2/R1=-2V，但仿真输出为315mV，为何会这样？因为此运放采用了单电源供电，+12V的供电电压意味着其输出不会超出0~12V的范围，所以不能输出负电压。

2. 双电源仿真

图2 反向放大电路双电源仿真

如上图，给运放加上±12V的电源，仿真结果就是和理论值一样的-2V输出。

3. 单电源供电添加“虚地”

图3 单电源反向放大电路添加“虚地”

如果我们将原本原本连接GND的运放正输入端接一个6V的电压基准会发生什么呢？其实就相当于6V变成了电源的中点，即相当于一个±6V的电源系统了，此系统的“GND”相当于+12V供电系统的6V。此时按照虚短虚断计算出理论输出电压应该是10V，仿真结果与理论一致。

4. 差分放大电路添加电压基准

上面只是个简单的直流信号单电源供电运放电路添加虚地，其他还有更为复杂的电路要根据具体情况添加虚地或者说添加电压基准才能保证输出不失真。

例如前文提到的差分放大电路，它可以直接对Vref添加电压基准来抬升输出电压，它不仅能进行两个信号的差分放大，且可以通过将V+或V-接地来实现一般的单信号放大，在实际单电源电路中非常实用。

图4 单电源差分放大电路添加“虚地”

二、 输出电压轨与电源电压轨

1. 输出电压轨

输出电压轨也就是其输出电压范围，那这个范围到底是多少呢？例如图1的+12V供电系统，他的最低输出电压根据图1仿真是315mV，最高输出电压根据仿真是10.8V。

图5 最大输出电压仿真

图6 电压轨与输出轨示意图

2. 输出电压轨达不到电源电压轨的原因

根据仿真得出电源轨为0~12V的运放LM2904，其输出电压轨为0.315V~10.8V，那么是什么原因让这两个轨不能重叠呢？

图7 LM2904内部框图输出部分

根据LM2904的输出部分框图可以看出，其OUT与供电电压VCC之间有一个晶体管，实际应用中这个晶体管自身会有压降，这个压降导致OUT电压永远低于VCC电压，同理负轨道也是一样。

3. 如何得知自己所用运放的输出电压轨

一般运放的数据手册会给出运放的输出电压轨，其和供电电压、负载都有关系，需根据实际应用判断。

图8 数据手册给出的输出电压范围

三、输入电压轨

基于同样的原因，输入电压轨也达不到电源轨，数据手册同样会给出共模输入电压范围。

图9 数据手册给出的共模输入电压范围

四、轨到轨运放

1. 什么是轨到轨运放

轨到轨运放是指输出电压轨非常接近电源轨的运放，例如下图，+3V供电时，其最大输出能达到2.955V，最小输出能达到32mV。

图10 轨到轨运放输出电压范围

2.如何实现轨到轨

轨到轨运放通过电荷泵电路将运放的输出级电压范围抬升到电源轨之上，这个电压范围足以容纳输出级晶体管压降和电源轨，因此可以将输出轨抬升到接近甚至超出电源轨；输入级同理。示意图如下：

图11 轨到轨实现原理示意图