Rail to Rail OP Note 說明

Rail-to-Rail，即“軌至軌”，有時也稱為“滿擺幅”，是指輸出(或輸入)電壓範圍與電源電壓相等或近似相等。從輸入方面來講，其共模輸入電壓範圍可以從負電源電壓到正電源電壓；從輸出方面來講，其輸出電壓範圍可以從負電源電源到正電源電壓。也可以說，這是一個與供電電壓密切相關的特性，對器件的輸入或輸出無失真動態範圍有很大的影響，當 ΔV 很小時(10mV--100mV)，無失真動態範圍最小電壓為 VSS+ΔV，最大值為 VCC-ΔV，具有這樣動態範圍的運放就叫Rail to Rail運放。

理想狀態下，器件的正常工作輸入與輸出電壓範圍可同時達到運放正負電源端的電壓範圍。實際上，器件很難達到真正的“軌至軌”。比較常見的“軌至軌”表現方式有，輸入 rail-to-rail；輸入達到或超過 Vee；輸出比較接近 rail-to-rail；在同一器件上的輸入/輸出實現（或接近）rail-to-rail。這裡需要特別強調，輸入和輸出不一定都能夠承受rail-to-rail 的電壓。儘管器件被指明是軌至軌，不代表器件的輸入和輸出都支持軌至軌。存在運放的輸出或者輸入不都支持軌至軌的可能，這樣的話，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會使運放的功能退化，所以需要仔細的參考 Dasheet 是否輸入和輸出是否都是軌至軌。

可以看到，一些器件製造商在產品簡介或 Datasheets 的中過分強調宣傳這一特性，但不容回避的現實是，當器件工作在這些邊界附近時，性能均會有不同程度的下降，包括，CMRR--共模抑制比；Ro--輸出內阻；Avd--差模開環增益等。
　　
傳統的模擬集成器件，如運放、A/D、D/A 等，其類比引腳的電壓擺幅一般都達不到電源的幅值。例如，以供電電源為 +/-15V的運算放大器為例，為安全工作並確保性能（首先是不損壞，其次是不反相，最後是足夠高的 CMRR），要求運放的輸入範圍一般不要超過 +/-10V，在常溫下也不要超過+/-12V；而對於輸出範圍，負載 RL>10kohm 時一般只有 +/-11V，小負載電阻 RL<600ohm span="">

具備 rail-to-rail 特性的器件，一般都是低壓器件（雙電源 +/-5V 或單電源 +5V 供電），輸入/輸出電壓都能達到電源值（有的輸入甚至可以超過）。其原理上的秘訣便在於電流模＋NPN/PNP 互補輸入結構。rail-to-rail 器件的某些設計思想，對我們自己設計電路也可以提供一些有益的思路。

即使“軌至軌”器件的輸入或輸出電壓幅度即使達到電源電壓的上下限，此時放大器也不會像常規運放那樣發生飽和失真或翻轉。例如，在單電源 +5V 供電的條件下，即使輸入、輸出信號的幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信號也不會發生截止或飽和失真，從而大大增加了運算放大器的動態範圍。這在低電源供電的電路中尤其具有實際意義。再比如，綜合比較 TLC2274（軌到軌）與 OP07（非軌到軌）的輸入輸出範圍，可以看到，TLC2274 的動態範圍可達 4.8V，而 OP07（及其它非軌到軌特性的運放）的動態範圍僅 3V 左右。

軌至軌輸入/輸出特性，擴大了動態範圍，避免了補償輸入級常見的交越問題，這種設計降低了失真，在整個輸入電壓範圍內，甚至比比電源電壓高 100mV 左右，實現了較高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整體性能，非常適合驅動 A/D 轉換器，而不會造成差分線性衰減。