【运算放大器】输入电压范围与输出电压范围

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概述

总结运算放大器的输入电压范围和输出电压范围基本理论。

总结于《你好，放大器初识篇》。

一、输入电压范围（Input Voltage Range）

定义：保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。

优劣评定：一般运放的输入电压范围比电源电压范围窄 1V 到几V，比如 ±15V 供电，输入电压范围在-12V~13V。较好的运放输入电压范围和电源电压范围相同，甚至超出范围 0.1V。比如 ±15V 供电，输入范围在 -15.1V 到 15.0V，这会使得放大器设计具有更大的输入动态范围，提高电路的适应性。

当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时，比如相差 0.1V 甚至相等、超过，都可以叫 “输入轨至轨” ，表示为 Rail-to-rail input，或 RRI。

理解：运放的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起运放的失效。 注意，超出此范围并不代表运放会被烧毁，但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。

之所以叫共模输入电压范围，是因为运放正常工作时，两个输入端之间的差压是很小的，某个输入端的电压与两个输入端电压的平均值（共模）是基本相同的。 下图给出了输入电压范围和输出电压范围的示意。下方的 OP07 数据手册中，可以看出它的供电电压范围在±15V 时，其输入电压范围只有 ±14V。

二、输出电压范围（$V_{OH}/V_{OL}$ 或者 Swing from rail）

定义：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压 $V_{OH}$ 以及负向最小电压 $V_{OL}$——相对于给定的电源电压和负载；或者给出与电源轨（rail）的差距。

优劣范围：一般运放的输出电压范围要比电源电压范围略窄 1V 到几 V。较好的运放输出电压范围可以与电源电压范围非常接近，比如几十 mV 的差异，这被称为“输出至轨电压”。 这在低电压供电场合非常有用。当厂家觉得这个运放的输出范围已经接近于电源电压范围时，就自称“输出轨至轨”，表示为 Rail-to-rail output，或 RRO。

理解：在没有额外的储能元件情况下，运放的输出电压不可能超过电源电压范围，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。 这需要看数据手册中的附图。

输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：

1） 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同；

2） 至轨电压与负载密切相关，负载越重（阻抗小）至轨电压越大；

3） 至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降；

4） 至轨电压在 20mV 以内，属于非常优秀。

下图摘自可 2.7V 供电的 80MHz，RRIO（输入输出均轨至轨） 放大器 AD8031。其输入范围超出了电源 (0到2.7V)，为-0.2V到2.9V，输出非常接近电源，为 0.02V 到 2.68V，仅有 20mV 的至轨电压。