为什么运放会产生交越失真？

作者：Luke Lu  公司：骏龙科技

有工程师表示遇到过，用示波器采集运放的输出波形时，在某一输入电压处，原本很完美的正弦波出现了一点失真的情况，但不知是运放的原因还是其他外在原因。在了解工程师使用的运放类型之后，笔者得出结论：运放出现了输入的交越失真现象。

大部分工程师可能对这个现象很陌生，甚至没有听过这个名词。本文将会系统且完整地介绍运放的交越失真：它产生的原因、运放的基本工艺架构对交越失真的影响，以及针对交越失真我们如何进行改善。

运放基于工艺的分类

运放基于工艺方面基本可以分为：Bipolar、JFET、CMOS三种架构类型，也有基于以上三种类型衍生出来的BiFET和CMOS zero-drift架构，每种架构各有各的优点，本章节主要是针对三种基本的架构进行阐述。

Bipoalr输入架构

图1 ADA4806-1内部输入架构

上图（图1）是ADA4806-1的输入架构，信号过来直接进入双极结型PNP管，这是典型的Bipolar架构；三极管是电流控制电流型器件，驱动能力比较强，速度快，耐压高，噪声比较小。

因为输入极只有一对PNP管，所以ADA4806-1的输入只可以达到下轨，比如在±5V供电的情况下，输入共模电压-5.1V到+4V。

JFET输入架构

图2 ADA4622-1内部输入架构

上图（图2）是ADA4622-1内部的输入架构，信号输入后直接进入一对JFET管子。FET是电压控制电流型器件，输入阻抗特别高，是电压驱动型器件，基本不需要输入电流，输入回路比较简单。

因为输入极只有一对JFET管，所以ADA4622-1的输入只可以达到下轨，比如在±5V供电的情况下，输入共模电压-5.2V到+4V。

CMOS输入架构

图3 ADA4530-1内部输入架构

上图（图3）是ADA4530-1内部输入架构，信号输入后直接进入一对MOSFET管子。同样作为电压控制型器件，MOSFET相比JFET而言，输入阻抗更高，因此做出的运放在失调电流以及偏置电流方面的参数更好。MOSFET对于静电放电抵抗能力不佳，这类器件在运放电路中，前端通常需要添加上二极管（如上图图3黄框所示）进行保护，MOSFET的沟道在表面，不像JFET在体内，故JFET型输入的运放在噪声方面性能更优异。

上图（图3）ADA4530-1输入级只有一对MOSFET管，所以输入只能达到下轨，在单4.5V供电的情况下，输入电压范围0-3V。

以上介绍运放的三种基本架构中，多次提到一个参数：输入电压范围。这关系到运放的一个性能：轨到轨 (Rail To Rail)，包含了输入轨到轨以及输出轨到轨。在实际应用中，工程师很关心输入电压范围该参数。因为当前很多强调低功耗的应用，需要低电压供电。比如：对于3.3V供电系统来说，如果运放输入不能轨到轨，输入的电压动态范围会被压缩到很低。

轨到轨运放

所谓轨对轨 (Rail To Rail) 运算放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值。

但是上面所阐述的三种架构都没有真正地达到轨到轨，下文会分享两种全新的架构，阐述如何达到轨到轨。

Bipolar轨到轨输入架构

图4 ADA4099内部输入架构

CMOS轨到轨输入架构

图5 ADA4505内部输入架构

我们不难发现，与前文三种不支持轨到轨的输入架构相比，轨到轨输入运放在输入的时候额外多了一对管子，无论是三极管还是MOS管。

对于Bipolar型来说，NPN输入对的输入电压范围后，几乎可以扩展至正电源轨。PNP输入对的输入电压范围后，几乎可以扩展至负电源轨。实际上，在两个相对的电源方向上，Bipolar型的运放很难绝对做到轨到轨，因为需要保证一定的裕量使三极管处于正向放大区。

对于FET型来说，和上面Bipolar型类似；但是FET管子的导通压降很低，可以使输入电压范围几乎接近供电电压。

运放的交越失真

从上文的阐述可以得知：为了达到轨到轨，芯片设计工程师在设计芯片时，会采用两对极性相反的管子。在实际工作中两对管子交替工作，当两对管子切换时，会出现失真现象，我们把这个现象称为运放的输入交越失真。我们通过下图（图6）深入地了解该现象：

图6 ADA4807 Vos和输入共模电压关系

ADA4807是一款支持轨到轨输入输出的高速低噪精密运算放大器，在±5V供电的情况下，大概在4V时，我们可以看到Vos有一个阶跃。这也好理解：在输入电压比较低的时候，使用PNP管子工作，随着输入电压的增大，NPN管子开始介入，两种管子由于本身的特性以及制造工艺的不同导致了这个结果。

图7 交越失真现象

上图（ 图7）显示了运放出现交越失真现象，在要求比较高的精密测量场合中，该交越失真现象是不允许的，那该如何解决这个问题？

ADI 处理交越失真问题的解决方案

方案一 调节三极管的静态工作点

图8 AD8027/AD8028调节静态工作点

这种方式并不是从根本上改善了交越失真，而是通过外部的输入电压介入，改变三极管的静态工作点，将交越失真点向输入电压正轨或者负轨进行搬移，适用于输入电压不要求满轨的情况。

方案二 内置电荷泵预充电技术

图9 AD8505内置电荷泵消除交越失真

内部电荷泵用一个高电压，可以使输入信号始终经过一个差分对而不跳到另外一个。某种意义上，是从根本消除了交越失真。

图10 电荷泵技术改善之前的Vos和Vcm关系


图11 电荷泵技术改善之后的Vos和Vcm关系

方案三 零漂移 zero-drift架构

图12 ADA4528-1 Chopping+ACFB架构

零漂移架构，从另一个角度来解决交越失真问题：允许有交越失真，但是可以通过电路校正。

图13 ADA4528-1 Vos与Vcm关系

总结

工程师在进行芯片设计时，为了实现低功耗，采用了低电压供电；为了实现更大的输入电压范围，出现了轨到轨设计。再到发现交越失真问题并想办法解决问题，技术结合实际，ADI运算放大器正是在这种发现问题与解决问题的过程中一步步发展。

通过上面的阐述，相信大家不仅明白了运放的交越失真，对运放的工艺制造以及芯片设计、设计过程中如何更好地选择内部器件也有了更深入的了解。

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参考资料

ADI | 混合信号和数字信号处理IC | 亚德诺半导体 (analog.com)
赛尔吉欧·佛朗哥《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》西安交通大学出版社
毕查德·拉扎维《模拟CMOS集成电路设计》西安交通大学出版社