5 双极放大器内部的共模限制

本节将介绍运放内部运行的一些详细信息。设计有效的板级放大器电路无需深入了解内部运行。不过，初步了解内部运行有助于更好地了解器件选择、操作和不同技术之间的权衡。本节提供了一些关于内部操作的高层次细节，但要全面了解，请参阅集成电路设计教材，例如 Gray 和 Meyer 编写的《集成电路的分析和设计》⁽²⁾。

从共模的角度来看，CMOS 和双极具有不同的特性，需要分别加以考虑。图 5-1 显示了典型双极输入级的简化版本。晶体管 Q1 和 Q2 将差分输入电压转换为单端输出，以供下一级使用。晶体管 Q4 设置差分对的偏置电流。当 Q4 饱和时，会出现输入级的正共模限制。对于双极晶体管，会在最大集电极电流和最小集电极至发射极电压（V_{CE (sat)} = 0.2V 至 0.3V）时发生饱和。通过从输入到接地应用基尔霍夫电压公式，可以计算正共模范围。在本例中，V_{IN_MAX} = – V_BE(Q1) –V_CE(Q4-SAT) + V_CC。当 V_BE 压降为 0.7V 且饱和电压为 0.3V 时，共模限制约为与 V_CC 相差 1V。如果共模输入信号等于或大于共模限制，晶体管 Q4 将饱和，放大器将变为非线性。

图 5-2 展示了双极输入级上的负共模限制。当输入信号被驱动至接近 V_EE 时，负电源变为非线性，从而导致 Q1 饱和。从 V_EE 到输入应用基尔霍夫电压公式，可以得到 V_{IN_MIN} = V_EE + V_D1 + V_CE(SAT-Q1) – V_BE(Q1)，或者 V_{IN_MIN} = V_EE + 0.3V。

从双极共模示例中可以明显看出，输入共模范围被限制为与负电源轨相差 0.3V 并与正电源轨相差 1V。根据内部拓扑，共模范围可能具有更大的摆幅限制。一些相对不寻常的双极器件可能会摆动到 V_EE，但双极器件都没有轨到轨输入。如果需要宽共模范围，CMOS 轨到轨器件提供从负输入电源到正输入电源的输入摆幅（请参阅节 7）。

图 5-1 双极输入级正共模限制

图 5-2 双极输入级负共模限制