【導讀】有工程師表示遇到過，用示波器采集運放的輸出波形時，在某一輸入電壓處，原本很完美的正弦波出現了一點失真的情況，但不知是運放的原因還是其他外在原因。在了解工程師使用的運放類型之后，筆者得出結論：運放出現了輸入的交越失真現象。
有工程師表示遇到過，用示波器采集運放的輸出波形時，在某一輸入電壓處，原本很完美的正弦波出現了一點失真的情況，但不知是運放的原因還是其他外在原因。在了解工程師使用的運放類型之后，筆者得出結論：運放出現了輸入的交越失真現象。
大部分工程師可能對這個現象很陌生，甚至沒有聽過這個名詞。本文將會系統且完整地介紹運放的交越失真：它產生的原因、運放的基本工藝架構對交越失真的影響，以及針對交越失真我們如何進行改善。
運放基于工藝的分類
運放基于工藝方面基本可以分為：Bipolar、JFET、CMOS三種架構類型，也有基于以上三種類型衍生出來的BiFET和CMOS zero-drift架構，每種架構各有各的優點，本章節主要是針對三種基本的架構進行闡述。
Bipoalr輸入架構
圖1 ADA4806-1內部輸入架構
上圖（圖1）是ADA4806-1的輸入架構，信號過來直接進入雙極結型PNP管，這是典型的Bipolar架構；三極管是電流控制電流型器件，驅動能力比較強，速度快，耐壓高，噪聲比較小。
因為輸入極只有一對PNP管，所以ADA4806-1的輸入只可以達到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.1V到+4V。
JFET輸入架構
圖2 ADA4622-1內部輸入架構
上圖（圖2）是ADA4622-1內部的輸入架構，信號輸入后直接進入一對JFET管子。FET是電壓控制電流型器件，輸入阻抗特別高，是電壓驅動型器件，基本不需要輸入電流，輸入回路比較簡單。
因為輸入極只有一對JFET管，所以ADA4622-1的輸入只可以達到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.2V到+4V。
CMOS輸入架構
圖3 ADA4530-1內部輸入架構
上圖（圖3）是ADA4530-1內部輸入架構，信號輸入后直接進入一對MOSFET管子。同樣作為電壓控制型器件，MOSFET相比JFET而言，輸入阻抗更高，因此做出的運放在失調電流以及偏置電流方面的參數更好。MOSFET對于靜電放電抵抗能力不佳，這類器件在運放電路中，前端通常需要添加上二極管（如上圖圖3黃框所示）進行保護，MOSFET的溝道在表面，不像JFET在體內，故JFET型輸入的運放在噪聲方面性能更優異。
上圖（圖3）ADA4530-1輸入級只有一對MOSFET管，所以輸入只能達到下軌，在單4.5V供電的情況下，輸入電壓范圍0-3V。
以上介紹運放的三種基本架構中，多次提到一個參數：輸入電壓范圍。這關系到運放的一個性能：軌到軌 (Rail To Rail)，包含了輸入軌到軌以及輸出軌到軌。在實際應用中，工程師很關心輸入電壓范圍該參數。因為當前很多強調低功耗的應用，需要低電壓供電。比如：對于3.3V供電系統來說，如果運放輸入不能軌到軌，輸入的電壓動態范圍會被壓縮到很低。
軌到軌運放
所謂軌對軌 (Rail To Rail) 運算放大器，指的是放大器輸入和輸出電壓擺幅非常接近或幾乎等于電源電壓值。
但是上面所闡述的三種架構都沒有真正地達到軌到軌，下文會分享兩種全新的架構，闡述如何達到軌到軌。
Bipolar軌到軌輸入架構
圖4 ADA4099內部輸入架構
CMOS軌到軌輸入架構
圖5 ADA4505內部輸入架構
我們不難發現，與前文三種不支持軌到軌的輸入架構相比，軌到軌輸入運放在輸入的時候額外多了一對管子，無論是三極管還是MOS管。
對于Bipolar型來說，NPN輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴展至正電源軌。PNP輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴展至負電源軌。實際上，在兩個相對的電源方向上，Bipolar型的運放很難絕對做到軌到軌，因為需要保證一定的裕量使三極管處于正向放大區。
對于FET型來說，和上面Bipolar型類似；但是FET管子的導通壓降很低，可以使輸入電壓范圍幾乎接近供電電壓。
運放的交越失真
從上文的闡述可以得知：為了達到軌到軌，芯片設計工程師在設計芯片時，會采用兩對極性相反的管子。在實際工作中兩對管子交替工作，當兩對管子切換時，會出現失真現象，我們把這個現象稱為運放的輸入交越失真。我們通過下圖（圖6）深入地了解該現象：
圖6 ADA4807 Vos和輸入共模電壓關系
ADA4807是一款支持軌到軌輸入輸出的高速低噪精密運算放大器，在±5V供電的情況下，大概在4V時，我們可以看到Vos有一個階躍。這也好理解：在輸入電壓比較低的時候，使用PNP管子工作，隨著輸入電壓的增大，NPN管子開始介入，兩種管子由于本身的特性以及制造工藝的不同導致了這個結果。
圖7 交越失真現象
上圖（ 圖7）顯示了運放出現交越失真現象，在要求比較高的精密測量場合中，該交越失真現象是不允許的，那該如何解決這個問題？
ADI 處理交越失真問題的解決方案
方案一 調節三極管的靜態工作點
圖8 AD8027/AD8028調節靜態工作點
這種方式并不是從根本上改善了交越失真，而是通過外部的輸入電壓介入，改變三極管的靜態工作點，將交越失真點向輸入電壓正軌或者負軌進行搬移，適用于輸入電壓不要求滿軌的情況。
方案二 內置電荷泵預充電技術
圖9 AD8505內置電荷泵消除交越失真
內部電荷泵用一個高電壓，可以使輸入信號始終經過一個差分對而不跳到另外一個。某種意義上，是從根本消除了交越失真。
圖10 電荷泵技術改善之前的Vos和Vcm關系
圖11 電荷泵技術改善之后的Vos和Vcm關系
方案三 零漂移 zero-drift架構
圖12 ADA4528-1 Chopping+ACFB架構
零漂移架構，從另一個角度來解決交越失真問題：允許有交越失真，但是可以通過電路校正。
圖13 ADA4528-1 Vos與Vcm關系
總結
工程師在進行芯片設計時，為了實現低功耗，采用了低電壓供電；為了實現更大的輸入電壓范圍，出現了軌到軌設計。再到發現交越失真問題并想辦法解決問題，技術結合實際，ADI運算放大器正是在這種發現問題與解決問題的過程中一步步發展。
通過上面的闡述，相信大家不僅明白了運放的交越失真，對運放的工藝制造以及芯片設計、設計過程中如何更好地選擇內部器件也有了更深入的了解。
參考資料
ADI | 混合信號和數字信號處理IC | 亞德諾半導體 (analog.com)
賽爾吉歐·佛朗哥《基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計》西安交通大學出版社
畢查德·拉扎維《模擬CMOS集成電路設計》西安交通大學出版社
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