原標(biāo)題：什么是CMOS軌到軌放大器電路？

CMOS軌到軌（Rail-to-Rail）放大器是一種能夠在輸入或輸出信號接近電源電壓（即“軌”）時(shí)仍保持線性放大的運(yùn)算放大器（Op-Amp）。其核心優(yōu)勢在于擴(kuò)展信號動(dòng)態(tài)范圍，適用于低電壓供電系統(tǒng)（如1.8V、3.3V）和高精度傳感器信號處理。以下從原理、實(shí)現(xiàn)方式、應(yīng)用場景及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)四個(gè)維度展開分析。

一、CMOS軌到軌放大器的核心原理

1. 傳統(tǒng)CMOS放大器的局限性

• 輸入范圍受限：傳統(tǒng)CMOS輸入級（如差分對）的共模輸入范圍通常無法覆蓋電源電壓（如Vdd-1V至Vss+1V）。

• 輸出擺幅受限：輸出級在接近電源電壓時(shí)易進(jìn)入飽和區(qū)，導(dǎo)致信號失真。

2. 軌到軌設(shè)計(jì)的目標(biāo)

• 輸入軌到軌：共模輸入范圍覆蓋[Vss, Vdd]。

• 輸出軌到軌：輸出擺幅接近[Vss, Vdd]（通常留有幾十mV余量）。

3. 關(guān)鍵參數(shù)

• 共模輸入范圍（CMIR）：放大器能正常放大的輸入電壓范圍。

• 輸出擺幅（Output Swing）：輸出信號的最大峰峰值。

• 失調(diào)電壓（Vos）：輸入端需施加的電壓以使輸出為零。

• 壓擺率（Slew Rate）：輸出電壓的最大變化速率。

二、CMOS軌到軌放大器的實(shí)現(xiàn)方式

1. 輸入級設(shè)計(jì)：互補(bǔ)差分對

   類比：

• 傳統(tǒng)輸入級如“單手開車”（僅PMOS或NMOS），而軌到軌輸入級如“雙手開車”（PMOS+NMOS協(xié)同），覆蓋全速域。

• PMOS輸入對：處理接近Vdd的輸入信號。

• NMOS輸入對：處理接近Vss的輸入信號。

• 動(dòng)態(tài)切換：通過電流鏡或共源共柵結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入電壓自動(dòng)切換PMOS/NMOS對，實(shí)現(xiàn)全范圍共模輸入。

2. 輸出級設(shè)計(jì)：推挽AB類結(jié)構(gòu)

   示意圖：

• PMOS推（Pull-Up）：輸出接近Vdd時(shí)提供電流。

• NMOS挽（Pull-Down）：輸出接近Vss時(shí)吸收電流。

• 交叉失真抑制：通過偏置電路（如二極管連接晶體管）避免PMOS/NMOS同時(shí)截止。