你是否超越了运放的输入共模区间？

电路

`为自己的电路挑选运放要通过一个选择过程，其中要考虑到最关键的应用参数。审查的参数可能包括：电源电压、增益带宽积、转换速率，以及输入噪声电压。另外还必须考虑输入共模区间，这对所有运放电路都是一个关键参数。

终生与运放打交道的工程师们很可能都遇到过这类情况，运放出现了未曾预料的性能。运放的好处是它们的输出通常会说明真相。很多情况下，如果有什么异常，都会明显地体现在其输出端。输出级的极限可能造成不良的输出波形。也许输出端的过多电容会造成振荡，或者输出级的电压摆幅小于电源电压轨，因此在达到满轨电压以前就出现削峰。

运放的输出端也会出现与输出级毫无关系的奇怪现象。不良的输出信号可能来自于器件输入端的某些异常。运放最常见的问题之一是超出了器件的输入共模区间。不过，到底什么是输入的共模区间，超出这一区间的影响是什么？

输入共模电压VICM是一位工程师在考虑运放输入时的首要规格之一，但它可能带来一些混淆。VICM描述了一个电压电平，它是反相和非反相输入端的平均电压(图1)。通常用下式表示：

认识VICM还有一种方式，即它是非反相和反相输入端VIN+与VIN-的公共的电压电平。在大多数应用中，VIN+非常接近于VIN-，因为闭环负反馈会使一个输入端密切跟踪另一个输入端，使VIN+与VIN-之间的压差接近于零。很多共模电路都是这种情况，包括电压跟随器，以及反相和非反相配置。这些情况下，通常会假设VIN+=VIN-=VICM，因为这些电压几乎是相同的。

描述运放输入的另一个参数项是输入共模区间VICMR，或更准确地说，是输入共模电压区间。这个参数在数据表中很常见，它是电路设计者最应关注的参数。VICMR定义了运放能正常工作的一个共模输入电压区间，并描述了输入电压与两个电压轨靠近的程度。

对VICMR的另一种认识方式是，它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所确定的一个区间，如下式所示：

其中，VICMRMIN是相对VCC-电压轨的极限值，VICMRMAX是相对于VCC+电压轨的极限值(图2)。

当运放超出VICMR时，器件就可能不能做正常的线性运行。因此，必须了解输入信号的整个范围区间，确保运放不超出VICMR。

另一个混淆点是：VICM与VICMR是非标准的缩写，各家IC供应商的数据表中经常使用不同的术语，如VCM、VIC和VCMR。因此，必须清楚自己正在查看的规格，它不是一个特定的输入电压，而是一个输入电压的范围。

不同运放的VICMR变化

运放的设计规格与所使用的工艺威廉希尔官方网站决定了器件的输入级。例如，一只CMOS运放的输入级不同于双极运放的输入级，也不同于JFET运放。了解这些运放间存在的差异非常重要。

表1是德州仪器公司几款运放及其VICMR。最大电源区间栏中描述了双电源和单电源的极限。表中可以明显看到，不同运放的输入区间VICMR各不相同。根据器件的类型，VICMR可能进入或超出电源轨。因此，永远不能假定某个运放可以接受某个输入信号区间，除非验证了数据表中的规格。

有一个宽输入范围的特例值得一提，这就是轨至轨输入运放。尽管这个名称暗示该运放的输入可以跨越整个电源轨的区间，但并非像人们可能假设的那样，所有轨至轨输入器件都可以覆盖整个电源范围。很多轨至轨输入的运放(如ti的OPA333)确实能跨越整个电源区间，而其它一些则达不到标准，说明有误导性。同样，关键在于查看数据表指定的输入区间规格。

违反VICMR的例子

违反VICMR的情况一般出现在使用3.3V、5V或其它低电压应用的单电源运放中。在这些应用中，输入信号区间一般都是狭窄的，必须知道输入信号和VICMR，才能确保运放的正常运行。一只违反了VICMR的运放可能出现未预料的输出性能，如信号在低于预期电压电平处削峰，输出信号电压漂移，相位反转，或输出过早地到达某个电源电压轨。

为更好地理解违反VICMR的效果，下面给出一些实例。用两只具有不同VICMR规格的运放可演示这些效果。这些器件都有轨至轨的输出，排除了输出级造成的限制。一个单电源的电压跟随器电路用于两只器件的评估(图3)。所有测试均在一个实验台上完成，室温约为25°C。

第一个例子使用了一只VCC为10V的TLC2272运放。数据表显示，它在25°C和5V电源电压下的典型VICMR区间为-0.3V~+4.2V。注意输入极限接近于正电源轨，比VCC低0.8V。得到的近VCC输入极限大约为9.2V。

测试电路时，在其输入端加一个直流偏移为VCC电压一半(或5V)的300Hz正弦波。调节交流幅度，直到看到VOUT有一个变化。当施加10V峰峰值输入时，VOUT显示一个接近正电源轨的削峰信号，而不是接近负电源轨。这个接近正电源轨的不良性能就是预计输入超过9.2V时的结果。对于0~9.2V之间的VIN，VOUT显示和预期一样的正确波形(图4)。

第二个例子使用一只TL971轨至轨输出的电压跟随器电路，但结果却不同。此时，运放采用一个单5V电源。从数据表规格可知，有保证的VICMR区间跨越了1.15V~ 3.85V范围，或中心在VCC/2的大约2.7V峰峰值。输入端加的是一个直流偏移为2.5V的1kHz正弦波。将VIN的幅度从200mV峰峰值调向更高电平，直到看到VOUT的变化。

VIN中心在2.5V时，VIN增加到2.7V峰峰值，VOUT都有预期的线性特性。当VIN增加到约3.5V峰峰值时，中心在2.5V，VOUT继续跟随VIN，表现出正确的运放特性。注意这个线性特性好于数据表对VICMR的限制，但仍然超出了保证的极限值。当VIN增加到略高于3.52V峰峰值时，VOUT开始在接近正电源5V轨和负电源0V轨时表现出非线性特性(图5)。VIN进一步增加到4.2V峰峰值，明显超出了VICMR。当输入峰值超过了近正电源轨的极限时，VOUT的信号输出超出电源轨，跳到正电源轨5V以上，并停留在这里，直到VIN回到可接受范围内(图6)。当输入跌到接近负电源轨的极限以下时，VOUT的信号表现出一个相位反转，跳至中轨2.5V，并以一个偏移跟随VIN，直到VIN增加到VICMR内的一个可接受电压值。

这些例子表明，不同的非线性特性可以源于不同类型超出VICMR的运放。虽然第二种情况中产生了相位反转，但注意这个相位反转并不出现在所有违反VICMR的运放中，它与运放有关。

这些例子用一个交流信号，评估运放电路的VICMR。另一种有用的测试是给图3中的电路输入端加一个直流电压源。当改变直流输入时，输出电平会以一种类似的方式变化，而不是总在改变。根据电路的类型，在运放的早期评估中，可以采用交流分析或直流分析，也可两者兼用。

解决VICMR问题

如果在设计过程的晚期才发现运放无法满足VICMR要求，该怎么办？也许该器件的其它参数非常适合于你的应用，难以改换器件。这时可能要考虑下列一个或多个选项。首先，如果输入波幅过大，则要用一个电阻分压器，将信号保持在正确的VICMR区间内。其次，如果输入信号的偏移有问题，则尝试使用一个输入偏置或直流偏移电路，使输入信号置于运放VICMR区间规格内。第三，可以尝试换用一种能满足所有其它要求的轨至轨输入运放。

在选择一款运放时，记住输入共模电压区间是最需懂得的重要规格。如果器件的输入无法接受输入信号的电平或范围，则输出端就会遇到麻烦。先处理好这个重要细节，则以后当电路正确工作时，你就会赞赏自己的选择。
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