运算放大器的输入电压范围与输出电压范围详解
运算放大器的输入电压范围与输出电压范围详解
运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是电子工程中一种非常重要的基本组件，广泛应用于信号放大、滤波、信号处理等电路设计中。其性能的优劣直接影响到整个电路系统的稳定性和可靠性。本文将详细介绍运算放大器的输入电压范围和输出电压范围的基本理论，帮助读者更好地理解和应用运算放大器。
概述
本文总结运算放大器的输入电压范围和输出电压范围基本理论。内容主要参考《你好，放大器初识篇》。
一、输入电压范围（Input Voltage Range）
定义：保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。
优劣评定：一般运放的输入电压范围比电源电压范围窄 1V 到几V，比如 ±15V 供电，输入电压范围在-12V~13V。较好的运放输入电压范围和电源电压范围相同，甚至超出范围 0.1V。比如 ±15V 供电，输入范围在 -15.1V 到 15.0V，这会使得放大器设计具有更大的输入动态范围，提高电路的适应性。
当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时，比如相差 0.1V 甚至相等、超过，都可以叫“输入轨至轨” ，表示为 Rail-to-rail input，或 RRI。
理解：运放的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起运放的失效。注意，超出此范围并不代表运放会被烧毁，但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。
之所以叫共模输入电压范围，是因为运放正常工作时，两个输入端之间的差压是很小的，某个输入端的电压与两个输入端电压的平均值（共模）是基本相同的。下图给出了输入电压范围和输出电压范围的示意。下方的 OP07 数据手册中，可以看出它的供电电压范围在±15V 时，其输入电压范围只有 ±14V。
二、输出电压范围（V O H / V O L V_{OH}/V_{OL}VOH /VOL 或者 Swing from rail）
定义：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压V O H V_{OH}VOH 以及负向最小电压V O L V_{OL}VOL ——相对于给定的电源电压和负载；或者给出与电源轨（rail）的差距。
优劣范围：一般运放的输出电压范围要比电源电压范围略窄 1V 到几 V。较好的运放输出电压范围可以与电源电压范围非常接近，比如几十 mV 的差异，这被称为“输出至轨电压”。这在低电压供电场合非常有用。当厂家觉得这个运放的输出范围已经接近于电源电压范围时，就自称“输出轨至轨”，表示为 Rail-to-rail output，或 RRO。
理解：在没有额外的储能元件情况下，运放的输出电压不可能超过电源电压范围，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。这需要看数据手册中的附图。
输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：
1） 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同；
2） 至轨电压与负载密切相关，负载越重（阻抗小）至轨电压越大；
3） 至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降；
4） 至轨电压在 20mV 以内，属于非常优秀。
下图摘自可 2.7V 供电的 80MHz，RRIO（输入输出均轨至轨）放大器 AD8031。其输入范围超出了电源 (0到2.7V)，为-0.2V到2.9V，输出非常接近电源，为 0.02V 到 2.68V，仅有 20mV 的至轨电压。