运放参数详解part22：轨至轨(rail to rail)输出

继续学习 TI FAE 分享的运放参数解析系列文章，并对其中的内容做了注释。

以下是转载的原文（蓝色底纹的文字为本站注释）。

最近比较忙，把这个主题中断了，现在利用周末的时间，把这个主题继续下去。希望本月能把运放基本参数这一主题结贴。并开始新的主题。

今天用一个贴子写两个关于运放输出特性的小主题，一个是 Rail-Rail 输出，另一个是输出短路电流。

先说轨至轨输出(rail to rail output)。现在在低电压运放的中，很多都是轨至轨输出。运放的轨至轨输出是由 MOS 作输出级设计实现的。早期的运算放大器输出级是带有 NPN 电流源或下拉电阻的 NPN 射极跟随器。这种使用 BJT 的互补共射极输出级无法完全摆动到电源轨，只能摆动到电源轨的晶体管饱和电压 CESAT 范围内。对于较小的负载电流(小于 100 µA )，饱和电压可能低至 5 至 10 mV；但是，对于较高负载电流，饱和电压可能增加至数百毫伏

轨至轨输出的本意是指，运放的输出电压可以达到电源轨。但实际是它是十分接近电源轨。只说这么一个定义是没有多大意义的。下面要说一下这里关于轨至轨输出的一些需要注意的问题。

先看下图，是 OPA376 的 datasheet 上的数据。看到在不同负载下的输出离电源轨的电压值是不同的。

这是由于采用 CMOS FET 构建的输出级（如下图）可以提供近乎真正轨到轨的性能，但只是在空载条件下。如果运算放大器输出必须流出或吸入相当大的电流，则输出电压摆幅会降低，降幅为 FET 内部导通电阻上的 I×R 压降。一般而言，精密放大器的导通电阻在 100 Ω 左右，但高电流驱动 CMOS 放大器的导通电阻可能小于 10 Ω。这就是引起输入不能完全达到电源轨的根本原因。

另一方面，运放的输出信号到轨的电压值，随温度而变化。这同样可以在 OPA376 的 datasheet 中的表格中看到，并且在全温范围内，一般会出现在高温的情况，输出信号到轨的电压值会变大。这是由于 MOS 导通电阻，具有正温度系数，温度越高，导通电阻越大。这也就是造成了全温范围内压差V_SAT = V_S – V_OUT会变大。

下面引出一张图表，这张图表在运放的 datasheet 中非常常见，但也经常被忽略，它反应了一个重要结论：随着温度的上升，和输出电流的上升，运放输出信号与电源轨的压差V_SAT = V_S – V_OUT也随之增大。原因正如上面所解释的。当然还有一个问题，当输出电压越接近电源轨时，信号的失真会变的差一点。因此没有真正能达到电源轨输出的运放。根据上面的原因，离电源轨远一点，更容易达到高的信号质量。