中心議題：

• VICMR因運算放大器而各異
• VICMR違規舉例
• DC分析
• 克服VICMR問題

根據一些對您的應用最為重要的參數，為您的電路選擇一個運算放大器（op amp），需要一個複雜的過程。您查看的一些參數可能會包括電源電壓、增益帶寬積、轉換速率和輸入噪聲電壓等等。

您還說明了輸入共模範圍，對於您的電路中所有運算放大器應用來說，它都是一種重要的關鍵參數，是這樣吧

？如果您說“不是”
，那麼我們強烈推薦您閱讀本文。即使您的答案是肯定的
，您仍然會發現這篇文章很有幫助。

那(na)些(xie)在(zai)其(qi)整(zheng)個(ge)職(zhi)業(ye)生(sheng)涯(ya)都(dou)與(yu)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)打(da)交(jiao)道(dao)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)，可(ke)能(neng)都(dou)碰(peng)到(dao)過(guo)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)工(gong)作(zuo)異(yi)常(chang)的(de)情(qing)況(kuang)。好(hao)的(de)一(yi)方(fang)麵(mian)是(shi)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)出(chu)通(tong)常(chang)會(hui)說(shuo)明(ming)情(qing)況(kuang)。很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)
，如(ru)果(guo)情(qing)況(kuang)並(bing)不(bu)“那麼好”，qihuizaishuchuyinjiaoyiyizhongmingxiandefangshibiaoxianchulai。feilixiangshuchuboxingkeyoushuchujidezhuduoxianzhiyinsuyinqi。womenkenenghuiguancedaoshuchuduanguoduodianrongyinqidezhendang。fouze，zaidadaoquanguidianyazhiqiankenenghuichuxianxuebo，yinweishuchujibeixianzhizaidiyudianyuanguidianyadedianyabaidong。

yunsuanfangdaqishuchuduanchuxianyushuchujiwuguandeyichangxingweiyeshikenengde。youshi，feilixiangshuchuxinhaokenenghuichanshengziqijianshuruduanyichang。zuichangjiandeyunsuanfangdaqiwentishichaochuqijianshurugongmofanwei。danshi，“輸入共模範圍”到底是什麼，而超出這一範圍又會產生什麼影響呢
？

輸入共模範圍定義談及運算放大器輸入時

，輸入共模電壓（VICM）是工程師首先會想到的一個術語，但其可能會帶來一定的初始混淆。VICM描述了一個特殊的電壓電平，其被定義為反相和非反相輸入引腳（圖1）的平均電壓。

它常常被表示為：

VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.

思考VICM的另一種方法是，它是非反相和反相輸入即VIN (+)和VIN (–)常見的電壓電平。事實證明
，在大多數應用中

，VIN (+)都非常接近於VIN (–)
，因為閉環負反饋使一個輸入引腳緊跟另一個，這樣VIN (+)和VIN (–)之間的差便接近於零。

對許多常見電路而言確是這樣一種情況，其包括電壓跟隨器、反相和非反相配置。在這些情況下，我們常常假設VIN (+) = VIN (–) = VICM
，因為這些電壓大約相等。
[page]
用於描述運算放大器輸入的另一個術語是“輸入共模範圍”（VICMR），或者更準確的說是“輸入共模電壓範圍”。它是許多產品說明書中經常用到的一個參數，同時也是廣大電路設計人員最為關心的一個參數。VICMR定義了運算放大器器件正確運行所需的共模輸入電壓“範圍”，並描述了輸入與每個電源軌的接近程度。
思考VICMR的另一種方法是：它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定義的一個範圍。如圖2所示
，對VICMR的描述如下：

VICMR = VICMR_MAX – VICMR_MIN
其中:
VICMR_MIN = 相對於VCC –電源軌限製
VICMR_MAX = 相對於VCC+電源軌限製

超出VICMR時，便無法保證運算放大器的正常線性運行。因此

，保證完全了解輸入信號的整個範圍並確保不超出VICMR至關重要。

產生混淆的另一個方麵可能會是：VICM和VICMR並非標準化縮略語
，而各個IC供應商的各種產品說明書通常使用不同的術語
，例如：VCM, VIC, VCMR等。結果，我們必需要了解您研究的規範超過了某個特殊輸入電壓—一個“輸入電壓範圍”。

VICMR因運算放大器而各異

運算放大器的輸入級由設計規範和所用運算放大器工藝技術類型規定。例如，CMOS運算放大器的輸入級便與雙極型運算放大器不同
，其區別於JFET運yun算suan放fang大da器qi等deng。運yun算suan放fang大da器qi輸shu入ru級ji和he工gong藝yi技ji術shu的de具ju體ti情qing況kuang不bu在zai本ben文wen討tao論lun範fan圍wei內nei，但dan注zhu意yi到dao這zhe些xie差cha異yi存cun在zai於yu各ge種zhong運yun算suan放fang大da器qi器qi件jian之zhi間jian也ye很hen重zhong要yao。
表1列舉了幾個德州儀器（TI）運算放大器的例子及其VICMR。“最大電源範圍”欄描述了分裂式電源和單電源（括號內）限製。由該表，我們清楚地知道各運算放大器的輸入範圍VICMR明顯不同。根據器件的具體類型，VICMR可能會低於或者超出電源軌。因此
，絕不要假設運算放大器可以接收特殊輸入信號範圍，除非在產品說明書規範中得到核實。

值得一提的一種寬輸入範圍特例是“軌到軌輸入運算放大器”。盡jin管guan，顧gu名ming思si義yi
，它ta是shi一yi種zhong輸shu入ru涵han蓋gai整zheng個ge電dian源yuan軌gui範fan圍wei的de運yun算suan放fang大da器qi，但dan並bing非fei所suo有you軌gui到dao軌gui輸shu入ru器qi件jian都dou如ru許xu多duo人ren設she想xiang的de那na樣yang涵han蓋gai整zheng個ge電dian源yuan範fan圍wei。許xu多duo軌gui到dao軌gui輸shu入ru運yun算suan放fang大da器qi的de確que涵han蓋gai了le整zheng個ge電dian源yuan範fan圍wei（例如：表1中的OPA333等），但有一些則沒有全覆蓋
，而其描述對人具有一定的誤導性。另外，檢查產品說明書中的規定輸入範圍至關重要。

VICMR違規舉例

VICMR違規常見於單電源運算放大器應用中
，這些應用的負軌通常為接地電壓即0V，而正軌為正電壓，例如：3.3V、5V或者更高。在這些應用中，輸入信號範圍一般不是非常寬，同時必須較好地理解輸入信號和VICMR

，以確保正確的運算放大器運行結果。如果違反VICMR，非理想輸出行為可導致如低於預期電壓電平的信號削波、輸出信號電壓變化
、反相，或者輸出過早地達到某個電源軌電壓。

為了更好地理解超出VICMR帶來的影響，我們列舉出了一些此類違規的例子。我們選擇兩個不同VICMR規範的運算放大器，以說明這些影響。我們之所以選擇這些器件，是因為它們具有軌到軌輸出
，可排除輸出級帶來的一些限製。圖3所示單電源電壓跟隨器電路，用於獲取兩個器件的波形。所有數據均在~25°C室溫下的實驗台獲取。
[page]
例1

作為第一個例子
，我們選擇一個TLC2272運算放大器，並通過VCC = 10V為其供電。產品說明書將其典型VICMR範圍描述為25°C條件下5V電源電壓的–0.3 to 4.2V範圍。注意正電源軌附近的輸入限製
，即VCC以下.8V （或者VCC –.8V)。本例中，我們使用了VCC = 10V
，並且所得接近VCC輸入限製估計為約9.2V。
為了測試該電路，我們將VCC/2 = 5V DC偏移的300 Hz正弦波應用於輸入端。在VOUT出現變化以前
，一直對AC幅值進行調節。如圖4所示，當應用10 Vp-p輸入時
，VOUT在正軌附近出現一個經削波的信號，而非負軌附近。如果輸入超出VCC – 0.8V（本例中為9.2V），這種正軌附近出現的非理想行為是我們能夠預計到的。9.2V以下VIN電平和低至0V時，VOUT顯示出正確的波形

，正如我們所預期的那樣。

例2

第二個例子中，我們在圖3電壓跟隨器電路中使用一個TL971軌到軌輸出運算放大器
，但其結果不同。這裏，我們通過一個5V單電源為運算放大器供電
，這樣便得到VCC = 5V。由產品說明書規範可知，保證VICMR範圍為1.15V到3.85V
，即中間VCC/2大概為2.7 Vp-p。將一個1-kHz正弦波應用於2.5V的DC偏移。在觀測到VOUT出現變化以前
，不斷將VIN幅值從200 mVp-p調節到更大級別。

VIN位於範圍中間即VCC/2 = 2.5V時

，VOUT線性表現正常時VIN增加至2.7 Vp-p。隨著VIN增加至約3.5 Vp-p（中間為2.5V）
，VOUT繼續跟隨VIN
，並表現出正確的運算放大器行為。注意，該線性行為好於我們根據產品說明書限製做出的VICMR預計，但其仍然超出了保證限製。

VIN稍稍增加至3.52 Vp-p
，VOUT便開始在正（5V）和負（0V）軌附近呈現非線性行為（圖5）。VIN進一步增加至4.2 Vp-p，明顯超出VICMR。由於輸入峰值在正軌附近超出限製
，因此其上跳至正軌（5V）
，並在VIN返回到某個可接受範圍以前一直保持在該狀態，最終VOUT信號出軌（圖6）。隨著輸入降至負軌附近限製以下，VOUT信號表現出倒相，同時其跳至中軌（2.5V），並在VIN增加到VICMR範圍內某個可接受電壓水平以前
，一直通過偏壓來跟隨VIN。
[page]
這些例子表明，超出VICMR時不同類型的運算放大器可產生不同的非線性行為。盡管在第二個例子中產生了倒相，但我們需要注意的是，違反VICMR時並非“所有”運算放大器都會出現倒相—它的產生隻取決於具體的運算放大器。

DC分析

在前麵所述例子中
，我們利用一個AC信號來評估運算放大器電路的VICMR。另一種有用的測試方法是，將一個DC電壓源作用於圖3中電路的輸入。DC輸(shu)入(ru)變(bian)化(hua)時(shi)
，輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)也(ye)以(yi)類(lei)似(si)方(fang)式(shi)變(bian)化(hua)，隻(zhi)是(shi)它(ta)不(bu)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)而(er)持(chi)續(xu)變(bian)化(hua)。根(gen)據(ju)電(dian)路(lu)的(de)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)，在(zai)早(zao)期(qi)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)評(ping)估(gu)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，AC或DC分析（或者兩種分析一起使用）可能會有所幫助。

克服VICMR問題

在設計過程的後期，如果您發現您無法滿足運算放大器的VICMR要(yao)求(qiu)怎(zen)麼(me)辦(ban)呢(ne)？可(ke)能(neng)其(qi)他(ta)一(yi)些(xie)參(can)數(shu)會(hui)是(shi)您(nin)應(ying)用(yong)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)，而(er)要(yao)修(xiu)改(gai)器(qi)件(jian)是(shi)一(yi)件(jian)十(shi)分(fen)困(kun)難(nan)的(de)事(shi)情(qing)。一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)下(xia)列(lie)選(xuan)項(xiang)或(huo)許(xu)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)備(bei)選(xuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)：

(a) 如果輸入幅值過大

，請使用一個電阻分壓器來讓信號維持在正確的VICMR範圍內。

(b) 如果輸入信號偏移存在問題
，請嚐試使用一個輸入偏置或者DC偏移電路，以讓輸入信號保持在規定的運算放大器VICMR範圍內。

(c) 將器件改為軌到軌輸入運算放大器，以滿足所有其他要求。

結論

選擇一種運算放大器時，請記住：輸(shu)入(ru)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)是(shi)需(xu)要(yao)理(li)解(jie)的(de)眾(zhong)多(duo)最(zui)重(zhong)要(yao)規(gui)範(fan)之(zhi)一(yi)。如(ru)果(guo)器(qi)件(jian)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)無(wu)法(fa)接(jie)受(shou)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)平(ping)或(huo)者(zhe)範(fan)圍(wei)，那(na)麼(me)您(nin)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)肯(ken)定(ding)會(hui)碰(peng)到(dao)問(wen)題(ti)。首(shou)先(xian)請(qing)仔(zai)細(xi)閱(yue)讀(du)本(ben)文(wen)，之(zhi)後(hou)，當(dang)您(nin)的(de)電(dian)路(lu)正(zheng)確(que)運(yun)行(xing)時(shi)—如您預計的那樣，您會為您自己感到高興的！