ZHCADH2 December 2023 OPA205 , OPA320 , OPA328 , OPA365
7 轨到轨 CMOS 放大器
CMOS 放大器还可以具有从负运放电源到正运放电源的输入共模（轨到轨共模范围）。在许多情况下，输入共模实际上会超出电源轨。例如，对于具有 ±2.5V 电源的轨到轨 CMOS 器件，其共模范围可以超出电源轨 200mV (–2.7V < VCM < +2.7V)。从内部运行的角度来看，实现此功能的一种常见方法是同时使用 PMOS 和 NMOS 差分输入级。在前面的 CMOS 示例中可以观察到，PMOS 输入级具有到负电源的共模范围，而 NMOS 输入级具有到正电源的共模范围。轨到轨输入结构使用两种类型的输入晶体管，并通过一个电路根据晶体管有效的共模范围来启用和禁用晶体管。有一个较小的共模范围，称为交叉区域，在该区域中，两组晶体管都导通。
该方法存在一个缺点，那就是 PMOS 晶体管对的失调电压不同于 NMOS 对的失调电压。当共模电压转换通过交叉区域时，该差异会导致失调电压突然转变。该失调电压转换会引入这类轨到轨放大器固有的交叉失真。请注意，对于精密器件，两个输入对的失调电压通常会进行修整，以更大限度地减小不匹配。即使在经过修整的器件中，也会随着交叉区域中的失调电压变化而引入一些交叉失真，因为两个输入对会同时导通。图 7-1 展示了简化的轨到轨输入级以及相关的失调电压响应与共模输入之间的关系。请注意，共模范围分为 PMOS 区域、交叉区域和 NMOS 区域。
图 7-1 具有两个输入对的轨到轨输入级以及相关失调电压与共模间的关系图图 7-2 展示了轨到轨输入级的交叉失真如何影响正弦信号。在此示例中，输入信号施加到单位增益缓冲器，该缓冲器具有存在交叉失真的输入级。输入信号是理想的正弦波形，输出信号跟踪输入，直到共模转换通过交叉区域。通过交叉区域时，放大器失调电压会发生变化，因此输出信号会根据失调电压漂移而向上或向下移动。该失调电压变化范围为几微伏至几毫伏，具体取决于放大器失调电压。一般来说，这种变化太小，无法在示波器上看到，因此为了方便说明，该图像经过了放大。这种失真在频域中或计算 THD 时很明显。图 7-3 中的放大器在 3.75V 处具有一个交叉区域，并配置为缓冲器配置。当输入信号避开交叉区域时，失真很低 (THD = 108.5dB)。当信号通过交叉区域时，失真会增加 (THD = 83.8dB)。此外，检查 FFT 图可以发现谐波分量显著增加。
具有交叉失真的放大器通常提供共模抑制比 (CMRR) 规格，该规格根据交叉区域定义。表 7-1 显示了具有交叉失真的轨到轨放大器的典型 CMRR 规格。请注意，当输入范围限制在交叉区域（CMRRMIN = 76dB，VIN< (V+) – 1.4V）以下时，与整个输入范围（CMRRMIN = 65dB，VIN < 5.7V）相比，CMRR 要明显更好。
图 7-2 具有两个输入对的轨到轨输入级以及相关失调电压与共模间的关系图| 参数 | 测试条件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CMRR | 共模抑制比 | VS = 5.5V，(V–) – 0.2V < VCM < (V+) – 1.4V， TA = –40°C 至 125°C |
76 | 90 | dB | |
| VS = 5.5V，VCM = –0.2V 至 5.7V， TA = –40°C 至 125°C |
65 | 80 | dB | |||
图 7-3 交叉区域内部和外部信号的 FFT (OPA316)
图 7-4 零交叉失真器件内部施加信号的 FFT (OPA320)实现轨到轨共模范围的另一种方法是使用单个 PMOS 输入级并使用内部电荷泵来进行电源升压。对于这种方法，电荷泵通常会将输入级的内部电源电压升高约 1.8V。电源电压为 5V 的放大器会在内部升压至 6.8V。内部 PMOS 级以线性方式从正电源升高约 1.0V。因此，放大器共模扩展至 5.8V (6.8V – 1.0V = 5.8V)。请注意，虽然共模范围可以扩展到 5.8V，但 ESD 输入结构会将输入钳制在约 5.3V。此示例如图 7-5 所示。尽管不同器件的值可能不同，但所有零交叉器件的原理都是相同的。由于这种方法仅使用一个输入晶体管对，因此不存在交叉失真，被称为零交叉放大器。图 7-4 显示了零交叉运放 (OPA320) 的 FFT。此测量是在与图 7-3 中所用相同的测试条件和硬件条件下进行的，但放大器更改为零交叉型。通过比较两个图可以看出，当信号低于 3.75V 时，两个电路的性能相似。这是因为两个运放都不处于此共模范围的交叉区域。但是，当信号越过 3.75V 电压时，OPA316 出现交叉失真，而 OPA320 没有出现交叉失真。
对于零交叉器件，输入级不会消耗太多功率，因此该电荷泵不需要外部元件即可运行。然而，这种零交叉型输入级有一些来自电荷泵电路的额外噪声。该噪声在时域中显示为噪声信号上的纹波，或在噪声频谱密度曲线中显示为电荷泵开关频率处的单音信号。不过，对于大多数现代零交叉器件而言，此噪声非常低，对许多应用来说可以忽略不计。图 7-6 展示了两个示例，说明了噪声瞬态如何显示在带有内部电荷泵的器件的时域和频域测量中。请注意，OPA320 在 6MHz 处具有噪声及其谐波。这些多音信号与内部电荷泵的开关有关。通过将 OPA320 与 OPA365 进行比较，可以看到 OPA365 的噪声信号更大。OPA320 是这种零交叉技术的现代版本，我们已经付出了巨大的努力来尽可能地降低电荷泵噪声。另外还可以观察到，OPA365 的时域噪声显示了周期性电荷泵信号，而 OPA320 电荷泵信号则隐藏在宽带噪声中。通常，对于零交叉器件，电荷泵噪声主要是低增益应用所关心的问题。在增益较高的应用中，放大器带宽通常低于电荷泵开关频率，因此噪声信号会得到衰减。此外，可以添加一个外部滤波器，以进一步减小任何电荷泵开关噪声。
图 7-5 到正电源轨的零交叉内部运行
图 7-6 具有内部电荷泵的器件（零交叉）的时域和频域图