運放電路中,造成信號失真的因素有很多,運放的輸入輸出限製就是其中之一,特別是非軌對軌(Rail to Rail)輸入輸出的運放,尤其要注意信號的輸入輸出是否在其範圍之內,以免造成信號失真。
運放的輸入輸出限製,分開來講,分別對應共模輸入電壓和輸出電壓擺幅。
共模輸入電壓
運放共模輸入電壓定義了正常輸入時,所需的共模電壓範圍,共模輸入電壓通常與運放的供電電源有關。如果超過這個範圍,輸出信號就會工作在非線性,引起失真。
如下圖所示,運放的供電電源為±2.5V,其共模輸入電壓範圍為-2.6V < VIN < -1.0V,輸出電壓範圍為 -2.3V < VOUT < 2.3V。

可以分析,輸出電壓不在共模輸入電壓範圍內,所以可能會導致輸出電壓不在 μV 級別,可能會到 mV 級別。
輸出電壓擺幅
運放輸出電壓擺幅也與運放供電電源有關。同樣,如果超過這個範圍,也會使得輸出信號產生失真。
如下圖所示,運放的供電電源為 5V,其共模輸入電壓範圍為 -0.1V < VIN < 1.5V,輸出電壓範圍為 0.2V < VOUT < 4.8V。

上圖的共模輸入電壓為 0V,工作在共模輸入電壓範圍,理論輸出電壓應該也是 0V,但是並不在輸出電壓擺幅範圍內,所以輸出電壓可能達到 200mV,引起了較大誤差。
信號失真仿真示例
下麵看一個仿真示例:輸入是±1.5V 的三角波,輸出出現削波現象,其原因在於輸入幅值不在共模輸入電壓範圍。當三角波幅值達到 1.5V 時,已經超過共模輸入電壓的最大值 1V,所以會產生削波現象。

總結:使用非軌對軌運放時,需要考慮輸入電壓是否在共模輸入電壓範圍,同時還要考慮輸出電壓擺幅問題。當然,如果是軌對軌運放,造成的影響就會小很多。
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