Part 01

前言

說起運算放大器，我們經常會聽到一個詞匯：“軌至軌”，英文叫：Rail-to-Rail，在硬件工程師筆試題目中也是一個高頻詞匯，不懂的人只能說這是嘛玩意啊？為了讓大家進考場心里不慌，今天就來詳細說說運算放大器的軌至軌參數。

Part 02

軌至軌的定義

什么是軌至軌呢？這里的“軌”可不是鐵軌，而是電源軌，因為運放要想正常工作，就需要供電，“正”電源進，“負”電源出，這一正一負兩個電源電就是兩條軌，所以軌至軌中的兩個軌就是對應為運放供電的一正一負兩個電源。

“軌至軌”（Rail-to-Rail）在運算放大器中指的是運放的輸入和輸出信號電壓能夠達到電源電壓的兩個極限值（電源軌）。雙電源供電的運放的電源軌指的是它的正電源電壓和負電源電壓，或者對于單電源供電來說，是正電源和GND電壓。

軌至軌包含兩大部分：輸入軌至軌和輸出軌至軌，接下來就分別介紹一下。

Part 03

軌至軌輸入 VS軌至軌輸出

1. 軌至軌輸入

普通運放的輸入級通常采用一組單一類型的差分輸入晶體管，比如雙極型運放可能使用NPN或PNP晶體管，而CMOS運放可能只使用一種類型的 MOSFET（P型或 N型）。這些輸入晶體管的導通需要特定的電壓范圍，如果使用的是NPN晶體管，輸入電壓必須高于負電源軌一定的電壓（如一個 Vbe），否則晶體管無法正常工作。如果使用PNP晶體管，輸入電壓必須低于正電源軌一定的電壓，否則晶體管飽和或失去導通能力。由于輸入晶體管需要一定的偏置電壓才能正常工作，因此輸入電壓范圍無法覆蓋從負電源軌到正電源軌。

然后聰明的工程師就想到，既然用一種類型的晶體管做不到輸入電壓范圍覆蓋從負電源軌到正電源軌，那把兩種類型的管子組合一起一起用不就行了，通過使用兩組互補的差分輸入晶體管（比如P型和N型MOSFET）來覆蓋整個輸入電壓范圍，使得運放的輸入信號電壓可以從負電源軌到正電源軌而不出現失真。當輸入信號電壓接近負電源軌（即接近地）時，P型MOS管導通，輸入信號通過P型MOS管進行放大。當輸入信號電壓接近正電源軌時，N型MOS管導通，輸入信號通過N型MOS管進行放大，比如下圖這種架構。

2. 軌至軌輸出

普通運算放大器的輸出受到限制，輸出電壓無法達到正電壓軌或負電壓軌。普通運放的輸出級通常由雙極性晶體管（BJT）或MOSFET組成。這些晶體管在輸出時，需要一定的電壓才能維持正常的導通狀態：對于雙極性晶體管的輸出級，例如NPN和PNP晶體管，它們需要至少一個 VCE(sat)的電壓降（通常約0.2V到1V不等）來保持導通。也就是說，輸出電壓在接近正電源軌時，不能超過正電源軌電壓減去一個 VCE(sat)，在接近負電源軌（接地）時，輸出電壓不能低于負電源軌加上一個 VCE(sat)

“軌到軌輸出”意味著運算放大器的輸出電壓擺幅可以接近其正電壓軌V+和負電壓軌V-，通常在V+或V-的10mV至100mV范圍內。這特性對于單電源供電的運放來說比較重要，為什么這么說呢？因為對于單電源供電的運放來說，由于電源電壓范圍相比雙電源供電減半了，其負電壓軌V-直接接到了GND，那么運放輸入為0V時，我們期望的是輸出也為0V，但是單電源供電的普通運放受限于運放至軌電壓影響，其輸出可能達到0.5V之多，這是無法接受的，所以一定要注意！