【導讀】運放同相和反相端輸入電壓超過(guò)運放共模輸入電壓的范圍，就會(huì )導致輸出電壓異常，達不到預期電路的設計范圍。關(guān)于運放的兩個(gè)輸入引腳有輸入擺幅限制，只要是由于輸入極的設計導致的。
運放同相和反相端輸入電壓超過(guò)運放共模輸入電壓的范圍，就會(huì )導致輸出電壓異常，達不到預期電路的設計范圍。關(guān)于運放的兩個(gè)輸入引腳有輸入擺幅限制，只要是由于輸入極的設計導致的。運放的輸入極基本是CMOS，BJT和FET三種基本拓撲結構組成的，下面用CMOS輸入極的拓撲結構來(lái)做說(shuō)明，參考資料來(lái)自MICROCHIP的AN722A的應用文章，會(huì )作為附件上傳，圖示是一個(gè)NMOS輸入極，一共用到了四個(gè)MOS管。但是其中給出內部示例圖還有錯誤，所以網(wǎng)絡(luò )的資料也不能完全相信，需要自己做爭取的判斷。圖中Q3和Q4作為鏡像電流源，給Q1和Q2的差分對管提供直流靜態(tài)工作點(diǎn)的電流。但是原圖把Q3的GS短接到一起，這種連接的方式明顯是錯誤的，應該是Q3的GD連接，讓VGS=VDS，讓Q3管始終工作在飽和區。
說(shuō)到了飽和區，就有了判定條件的。圖中四個(gè)MOS管都需要工作在飽和區，才能實(shí)現信號的放大。單個(gè)MOS管的本征放大倍數A=gm*ro，接入不同的外圍電路，可以實(shí)現不同的放大倍數。
按照AN-00722A中表述，對于這個(gè)差分輸入對，輸入共模電壓的范圍將被限制在負電源電壓附近，在這種情況下，輸入端的電壓最高可高于正電源軌的十分之幾伏，但最低只能降低到高于負電源軌的1.2V處，用不等式表示如下：
Vss+1.2＜Vcom＜Vcc+0.3
其中Vss表示負電源軌，Vcc表示正電源軌，高于正電源軌的十分之幾伏定義為0.3V；
但是在應用手冊中沒(méi)有對這個(gè)過(guò)程做解釋說(shuō)明，后來(lái)查了一些資料，對這個(gè)過(guò)程有了理解，所以分享到大家。
從電路可知，還有一個(gè)電流源I1，可以理解為一個(gè)簡(jiǎn)單的constant current（也可以是cascode current），就是一個(gè)MOS管工作的飽和區的模式，那么可以定義1點(diǎn)和Vss之間的電壓V1-Vss=0.3V，也就是constant current的漏極和源極之間的壓降是0.3V。
隨后定義Q1到Q4四個(gè)MOS管工作在飽和區Vgs≥0.9V(Vgs(th)), 即Vgs-Vgs(th)≥0 這個(gè)根據不同半導體廠(chǎng)家的定義會(huì )不同，但是0.9的設計是可以實(shí)現的。
由于Q3的柵極和漏極連接到一起，定義Vgs3=Vds3=0.6V，至此所有已知條件都有了，可以進(jìn)行計算。
對于Q1要保證可以開(kāi)啟，所以柵源極電壓至少要大于0.9V，
Vgs1=Vin-V1≥0.0V
Vin-(0.3+Vss)≥0.9V
Vin≥Vss+1.2
對于Q1不僅要開(kāi)啟還要工作在飽和區，所以Vds1≥Vgs1-Vgs(th)
Vgs1=Vin-(0.3+Vss)
Vgs(th)=0.9V
Vd1=Vcc-Vds3
Vs1=0.3+Vs
Vds1=Vcc-0.6-(0.3+Vs)
將以上所有式子聯(lián)立可得到
Vin≤Vcc+0.3
根據以上求得的所有關(guān)系式，就可以得到輸入共模電壓的范圍：Vss+1.2＜Vcom＜Vcc+0.3這個(gè)和資料上給出的是完全一致的。
既然有NMOS輸入極，那就肯定有PMOS輸入極，無(wú)非就是NMOS和PMOS進(jìn)行調換的，如下圖所示：
有了上面求解的過(guò)程，過(guò)于PMOS的輸入共模電壓范圍就不做詳細分析，可以直接拿出結論，對于Q1需要工作在飽和區，因此就有：
Vcc-0.3-(VCC+0.6)≥Vcc-0.3-Vin-0.9
Vin≥Vcc-0.3
對于Q1需要先正常開(kāi)啟，因此就有
Vcc+0.3-Vin≥0.9
Vin≤Vcc-1.2
整合以上的式子，就可以得到PMOS輸入共模電壓范圍：Vcc-0.3≤Vin≤Vcc-1.2
和手冊上提到的，輸入端無(wú)法在器件離開(kāi)線(xiàn)性區之前比正電源電壓高幾百個(gè)毫伏以上的結論是想吻合的。
從推導結果看來(lái)，無(wú)論是NMOS輸入極還是PMOS輸入極，都不是軌對軌的運放。但在我們實(shí)際應用中，很多運算放大器都是軌對軌，這個(gè)時(shí)候就是PMOS和NMOS的組合管輸入極，畢竟從結果看來(lái)，NMOS輸入極是正電源軌輸出，PMOS是負電源軌輸出。采用組合管輸入極，可以有效的講P管和N管的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，就能保證正負電源軌同時(shí)輸出。示意圖如下圖所示：
電路看起來(lái)比較復雜，實(shí)際就是兩個(gè)輸入極的疊加組合?，F在知道了工作原理，以后和運放的內部框圖，就能看出運放是不是軌對軌輸出了。但是這種形式的輸入極還是有一些不好的地方，比如失調電壓的范圍比較寬。從TI給出的仿真結果來(lái)看，對于OPA703這個(gè)運放，盡管是軌對軌輸出，但是失調電壓的動(dòng)態(tài)范圍受到共模輸入電壓的影響，動(dòng)態(tài)變化很大，實(shí)際使用的時(shí)候回受到很多制約的。
所以在此基礎上，就需要對P管和N管互補輸入極的電路進(jìn)行改進(jìn)，半導體公司就設計出了0偏移的MOS管軌對軌技術(shù)，有效改善了失調電壓變化范圍大的問(wèn)題。所以在設計電路的時(shí)候，要根據系統的設計需求，選擇合適爭取的運放，即使都是軌對軌運放，性能還是有很大的不同。只要性能參數選擇爭取，才能滿(mǎn)足電路的要求。
確實(shí)有很多資料介紹了運放共模輸入電壓限制的結論，但是對這個(gè)過(guò)程沒(méi)做說(shuō)明，這個(gè)帖子對這個(gè)過(guò)程做了一定的解釋和說(shuō)明，感興趣的一起討論哈！
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