1 单 N-FET 或 P-FET 与互补 N-P-FET 输入级限制

放大器的共模电压范围是指能够实现线性运行的可用输入电压范围。根据不同的输入级拓扑，放大器的共模输入范围 (V_CM) 可能会受到一个或两个电源轨的限制；当输入电压范围略微超出两个电源轨（轨至轨运行），就会达到最佳情况。用于偏置输入级晶体管所需的工作电压会限制 V_CM 范围，工作电压还用于确保在线性范围（MOSFET 的饱和范围或双极晶体管的运行范围）内运行。我们将说明 MOSFET 放大器输入级的这些限制。图 1-1 显示了 N 沟道 MOSFET 输入级的简图。该级由一个电流源（单个 NMOS，为简单起见显示为 Q3）、一个对各晶体管栅极施加输入电压的差分对，以及一个有源负载 PMOS 电流镜 Q4 和 Q5 组成。NMOS 差分对具有与负轨 –V_s 相关的输入共模电压限制。在 –V_s 到 V_in+ 之间应用基尔霍夫电压公式，我们得出：

因此，N 沟道 MOSFET V_CM 范围限制为 -V_s 加一定的电压（如Equation1 中所详述）。请注意，我们做了一些重要的假设，即 NMOS 和 PMOS 两个晶体管的 V_sat 完全匹配，并且等于 0.1V（典型值）。同样，我们假设 NMOS 和 PMOS 两个晶体管的 V_gs 相等，并且值为 0.9V，这是用于导通晶体管的典型值。根据这些假设，我们可以得到，该简化的 NMOS 输入级允许的输入共模电压范围约为 V_s 减 1V。从另一端 +V_s 到 V_in± 应用基尔霍夫电压公式后，我们得到：

考虑到在饱和边界（V_sat 为最小值，V_gs 为最大值），MOSFET 的 V_gs 通常超过 V_ds，最大 V_CM 处于 V_sat 范围内，或者正轨 +V_s 加 100mV。

相反，P 沟道 MOSFET 输入级限制在正极侧，通常为正轨 +V_s 减 1V。在负极侧，P-MOSFET 的共模电压范围可能处于 V_sata 范围内，或者负轨 -V_s 减 100mV。

为了避免单差分对输入级的限制，可以使用互补的 N 沟道和 P 沟道 MOSFET (CMOS) 输入级设计。此设计使用两个输入差分对（一个 N 沟道 MOSFET 对和一个 P 沟道 MOSFET 对）、一个电流舵方案，以及一个将两个输入信号叠加的双折共源共栅（图 1-2）。V_set 是用于控制分流晶体管 Q₈ 功能的电压源。对于低于 +V_s – V_set 的共模电压， Q₈ 关闭，漏极电流 (I_d) 从 Q₅（电流源）直接流过 P 沟道差分对（Q₁ 和 Q₂）。双折共源共栅允许 Q1 和 Q2 的漏极向下偏置到 –V_s 以上 V_sat，最终导致 V_CM 摆幅低于负轨。这允许 V_CM 在负轨以下扩展一定的电压 ΔV_P。同样，若共模电压高于 +V_s – V_set，则 Q₈ 开启，并且 I_d 会从 P 沟道对导向 N 沟道对（通过电流镜 Q₆ 和 Q₇）。因此，V_CM 范围可能超过正轨 +V_s 一定的电压，即 ΔV_N。总之，这使具有此输入级拓扑的运算放大器具有轨至轨 V_CM 范围（如Equation3 中所详述）。

我们已经了解互补输入级的轨至轨运行，接下来我们更加详尽地说明 ΔV_N 和 ΔV_P。更加深入地探究图 1-2 中的互补输入级放大器之后，我们可以看到轨至轨输入性能依赖于第二级。从正轨向下到输入，使用基尔霍夫电压定律，与前面在图 1-1 中应用的定律类似。

从上面的Equation4 可以看到，互补输入级放大器的输入共模范围为正轨以上 0.7V。通过执行相同的过程，我们可以得出负轨的共模输入电压范围。

从Equation4 和Equation5 中可以得出，共模输入电压范围通常超出正轨和负轨大约 0.7V，这由上面提到的术语 ΔV_N 和 ΔV_P 来表示。在数据表中，您会发现大多数轨至轨放大器超出电源电压最多 0.1V（而不是 0.7V）。这是输入和每个轨之间的保护二极管造成的。