原创 单电源放大器输出不能实现轨至轨摆动

作者：德州仪器 (TI) 高级应用工程师 Bonnie Baker

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单电源放大器不能真正实现输出的轨至轨摆动。接近轨时，放大器呈现非线性。对线性工作而言，单电源放大器输出的每个轨都在 50 到 300mV 范围之内（见图 1）。

图 1 较低的位置表示放大器在 2V/V 增益时的输入电压摆幅，较高位置表示放大器放大后的输出电压

单电源放大器轨至轨输出的广告造成了安全方面的错觉。图 1 显示了驱动轨输出时，典型单电源放大器的输出摆幅。在输出摆幅达到最大值之前，放大器的线性度就已经开始大幅下降，放大器输出不能达到任何电源电压。

直流开环增益的规范要求规定了放大器的线性工作输出范围。直流开环增益用分贝表示为 20 log(ΔVOUT/ΔVOS)，其中 VOUT 为电压输出，VOS 为输入偏置电压。驱动输出为高时，VH 为输出直流开环增益测量的最大电压电平。VOH 为相对于输出所能达到 VDD（漏极-漏极电压）的绝对电压最高电平。VL 为输出直流开环增益测量的最小电压电平，VOL 为输出所能达到的绝对电压最低电平。VH 小于 VOH，而 VL 大于 VOL。

从信号链的角度来看，当运算放大器驱动地 ADC 时，您可以看到其输出限制轨至轨摆幅。图 2a 中 FFT 图显示在 5V 系统中，放大器结合 ADC 对 1KHz 信号的响应。放大器典型的闭环带宽约为 3MHz，压摆率为 2.3V/µsec。放大器输出电压在 140mV～4.66V 之间摆动。在该 5V 电源电压系统中，信号与电压轨之间的差为 140mV。对于该放大器而言，VOL 的最小值为比接地电压高 15mV，而 VOH 最大值为 VDD–20mV。

图 2a 通过显示 2、3、4kHz 等频率下的失真，说明了单电源供电的 CMOS 放大器的非线性输出。通过将放大器每个轨的输出信号减少到 272mV，在仅存在 ADC 失真时，数据非常理想。（见图 2b）

图 2 该 12 位逐次逼近寄存器转换器的采样速率为 100k/秒 (a)；将该放大器的输出信号降低到 272 mV 会得非常理想的数据。

使用单电源放大器之前，要仔细阅读应用手册！一些单电源放大器具有输出级充电泵，从而允许放大器输出摆幅达到并大大超出电源轨。在任何情况下，请务必要阅读产品说明书并参考开环增益测试条件。

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