運放的輸入軌、輸出軌及電源軌

電源供電與輸入輸出軌

我們在選擇運放的時候，第一步需要考慮的就是運放的供電。大部分情況下，我們需要放大的信號都是共模電壓接近0的微弱直流或者交流信號，如果我們選擇了需要正負(fù)供電的運放，而提供的負(fù)電源軌又是GND的時候，小信號往往無法得到正確的放大，造成電路設(shè)計錯誤。

因此，在面對運放的其他參數(shù)選擇前，我們應(yīng)當(dāng)明確運放的幾個重要且非常基本的參數(shù)：供電范圍，共模輸入范圍（輸入軌），以及輸出軌。

運放的輸入軌

由于運放的同向反向輸入電壓在正常工作模式下幾乎相等，比如同向端輸入電壓是25mV，運放在負(fù)反饋的閉環(huán)工作情況下，反向端電壓可能是24.999mV，則他們的共模電壓是24.9995mV。由于這三者之間的差異非常小，我們通常可以用任意一端的電壓來表征其他兩個輸入電壓。

運放能夠放大的信號是根據(jù)電源軌決定的，一般運放都會給出一個共模輸入范圍，這個范圍是根據(jù)運放的正負(fù)電源供電范圍決定的。因此，我們首先要確認(rèn)，如何使得我們需要放大的信號，能夠被運放的共模輸入電壓范圍所覆蓋，比如下圖TL072的描述，他的共模輸入范圍就是負(fù)電源軌道+1.5V到正電源軌。

再比如常用的LM358，特點就是支持進地端的測量，因此，其共模輸入范圍能夠從負(fù)電源軌延伸到正電源軌-1.5V。

如果選擇了第一種TL072的物料，也就是輸入范圍是(Vs-)+1.5V到Vs+,這個時候，如果我們將Vs-設(shè)置為GND，則輸入的范圍最小就達到了1.5V,無法針對1.5V以下的電壓進行測量了。此時如果仍然想對0點附近的小信號進行測試，則必須構(gòu)建負(fù)電源，將Vs-設(shè)置為，比如-5V，那么此時的共模輸入范圍就變成了-3.5V到3.5V，對于0點附近的小信號仍然可以正常放大。

而對于第二種運放，輸入范圍是(Vs-)到（Vs+）-1.5V。這個時候，如果我們將Vs-設(shè)置為GND，Vs+設(shè)置為5V，則共模電壓輸入范圍就是0-3.5V，此時我們可以放大比如30mV的小信號。往往將這類運放稱為，單電源運放。但是隨著理解的深入，我反而覺得這個稱呼會帶來錯誤的誘導(dǎo)，因為我們的電源都是有一個參考，單電源只不過是默認(rèn)了負(fù)電源為GND而已。而且如果要放大的信號共模電壓如果是4.5V，那么第二種運放，就算單電源供電，同樣也無法正常工作。因此理解了輸入信號與輸入共模電壓的關(guān)系，以及輸入共模電壓和電源軌的關(guān)系的本質(zhì)，我們才可以做出正確的判斷。

運放的輸出軌

我們再來說運放的輸出軌，眾所周知，我們使用運放的目的是，將信號進行放大，那么必然我們期望運放的輸出電壓是比較大的信號，通常在V的級別。但是運放的放大倍數(shù)是否能夠設(shè)置成很大呢？答案肯定是否定的，其中有一個因素就是，運放輸出的電壓，不能超過輸出電源軌。而輸出電源軌，又是由供電軌決定的，還是以TL072為例。其輸出相對于電源軌的擺幅，距離正電源軌可以達到1.5V。這意味著如果你的供電是5V，則最大輸出信號只能達到3.5V。

而有一類運放，能夠?qū)⑤敵龅臄[幅做到與電源軌基本一致，這類運放我們成為軌到軌運放，這里的兩個“軌”，指的就是輸出的電壓能夠逼近（注意是逼近，而不是等于）電源軌。而區(qū)分是否為軌到軌運放的指標(biāo)，也就是輸出電壓與電源軌的差距，通常認(rèn)為是500mV，比如下圖的OPA2188，宣傳的特點就是軌道軌運放，其輸出電壓距離電源軌的電壓差異基本在350mV以內(nèi)。

這樣當(dāng)我們給運放供電電源為±5V，輸出不接負(fù)載的時候，其輸出電壓能夠達到-4.985~+4.985V。

運放的電源軌

介紹完了輸入軌與輸出軌，電源軌的概念就非常好理解了，電源軌給我們提供了一個工作的電壓區(qū)域，這個區(qū)域劃定以后，通過運放的參數(shù)特性決定了輸入共模的電壓范圍以及輸出電壓的范圍，這兩個范圍都不可能超過電源軌的電壓范圍（至少我還沒遇到過，也不排除有的運放可以內(nèi)置升壓電路）。那也許你還會想，既然電源軌的范圍很重要，那我把電源軌的范圍設(shè)置成非常寬，比如±18V，這樣就能夠適應(yīng)很大的輸入和輸出范圍了。比如下面這個運放，建議的電源電壓范圍內(nèi)就是40V，也就是最大可以給到±20V的供電電壓。給足夠大的范圍是可以適配更大的輸入和輸出范圍，但是構(gòu)建這個大范圍的電源，往往帶來額外的成本。因此還是需要綜合考慮整體系統(tǒng)的輸入輸出指標(biāo)，最終確定滿足要求的最合理的供電電源。