运算放大器通常称为运算放大器，提供高性能和多功能性，同时保持相对简单的使用。简化的行为模型和基本电路拓扑对于许多应用来说足够准确，甚至复杂的运算放大器架构也可以在仿真软件或设计工具的帮助下快速有效地实现。
　　然而，工程师也会遇到运算放大器的功能细节和非理想性在设计过程中发挥主要作用的情况。例如，信号摆幅（可用于输入或输出信号的电压范围）是运算放大器性能的一个方面，需要仔细考虑。在本文中，我们将了解运算放大器中的输入信号摆幅；后续文章将介绍输出信号摆幅。
　　信号摆动基础知识
　　考虑图 1 中的简化运算放大器电路图。没有显示电源引脚或电源电压，也没有任何迹象表明信号摆幅受到限制。

　　简化的同相运算放大器。

　　图 1.简化的同相运算放大器。图片由All About Circuits提供
　　在这种理想化环境中，输入信号和输出信号可以扩展到任何正电压或负电压。尽管完全不现实，但这种假设在许多应用中效果很好，原因有两个：
　　输入和输出信号通常保持在运算放大器的电源电压范围内。
　　即使信号超过指定的电压范围，电路也可以保持令人满意的性能。
　　现实生活中的运算放大器总是对信号摆幅施加限制。这些限制受到放大器的内部电路及其电源电压的影响。因此，在评估特定应用中的信号摆幅时，您需要考虑板级设计参数和运算放大器数据表中概述的功能参数。
　　数据表中将给出运算放大器的可用输入信号摆幅，但它通常被称为“共模输入范围”或“共模电压范围”。为了理解其中的原因，我们需要探讨共模输入电压的概念。
　　共模输入电压
　　运算放大器是一种具有高开环增益的差分放大器。负反馈使我们能够轻松地将运算放大器转换为具有低或中等增益的单端放大器。当运算放大器配置为负反馈放大器时，两个输入端子的电压几乎相同，即使我们的印象是一个输入电压是固定的，而另一个输入电压是自由变化的波形。例如，请考虑图 2 中的图表。

　　简洁的反相运算放大器。

　　图 2.简洁的反相运算放大器。图片由All About Circuits提供
　　同相输入端子始终处于 0 V。事实证明，尽管反相输入端子通过电阻连接到波动的输入信号，但也保持在非常接近 0 V 的电压。这种现象称为虚短路。
　　如果将两个电压施加到差分放大器的输入端子，然后取这两个电压的平均值，则得到放大器的共模输入电压。对于具有负反馈的运算放大器，两个输入电压几乎相同，因此共模电压是在任一输入端子处测量的电压。
　　共模电压的小偏差通常与信号摆幅的讨论无关。相反，我们关心的是如何将共模电压保持在可接受的范围内。在下一节中，我们将使用一些实际运算放大器的数据表来研究“可接受范围”的含义。
　　输入信号摆幅规格
　　让我们从 Texas Instruments 的OPAx277运算放大器开始。表 1 显示了其数据表中记录的可用输入信号摆幅。请注意，我们将检查的每个数据表对该规范使用的术语略有不同 - 此处称为共模电压范围。
　　表 1. OPAx277 的输入信号摆幅规格。使用的数据由德州仪器 (TI) 提供
　

范围			限度	单位
共模电压范围 ( V CM )	V – + 2		V + -2	V

　　正如我们之前提到的，可用的输入信号摆幅取决于电源电压。这就是为什么极限被指定为“ V – + 2”和“ V + – 2”。这些值意味着输入信号可以安全地低至：
　　比低压电源轨高 2V 。
　　比较高电压电源轨低 2V。

　　许多较新的运算放大器提供轨到轨输入性能，这意味着输入信号可以非常接近电源电压。一些轨到轨运算放大器（例如Analog Devices 的LTC6252）的输入范围完全包含电源电压轨。表 2 给出了该运算放大器的输入摆幅。

范围			限度	单位
输入共模范围 ( V CMR )	0		电压	V

　　表 2. LTC6252 的输入信号摆幅规格。使用的数据由 Analog Devices 提供
　　范围 限度单位
　　输入共模范围 ( V CMR )0 电压?V
　　LTC6252 的数据手册假定电源电压为 5 V 和 0 V。即使电源电压为 3.3 V 和 0 V，轨至轨运算放大器也能提供可行的输入范围，这使得它们在低电压设计中具有优势（有时至关重要）。

　　不过，您必须谨慎对待“轨到轨”这个术语。LT6023也来自 Analog Devices，并列在同一轨至轨运算放大器产品子类别中，被描述为“精密轨至轨输出放大器”。这里的关键是要认识到“轨到轨”修改的是“输出”，而不是“放大器”。正如我们在表 3 中看到的，输入级不提供轨到轨性能。

范围			限度	单位
共模输入范围 ( V ICM )	V – + 1.2		V + – 1.4	V

　　表 3. LT6023 的输入信号摆幅规格。使用的数据由 Analog Devices 提供
　　范围 限度单位
　　共模输入范围 ( V ICM )V – + 1.2 V + – 1.4V

　　某些运算放大器（例如Analog Devices 的MAX4240 ）甚至允许输入电压超出电源轨。我们可以在表 4 中看到这些规格。

范围			限度	单位
输入共模电压范围 ( V CM )	V – – 0.2		V ++ 0.2	V

　　表4. MAX4240的超轨输入摆幅能力。使用的数据由 Analog Devices 提供
　　范围 限度单位
　　输入共模电压范围 ( V CM )V – – 0.2 V ++ 0.2V
　　信号过度摆幅的影响
　　不遵守共模输入范围可能会导致放大器无法提供线性输入输出关系，从而导致性能受损。此外，信号摆幅过大导致的非线性并不完全可预测——特定运算放大器产生的失真量可能取决于输入信号的频率。在测试期间看似无害的输入范围违规可能会在系统在不同条件下运行时被证明是有问题的。

　　图 3 中的仿真图给出了因输入范围违规而导致失真的示例。仿真中使用的运算放大器是LT1880，它具有轨至轨输出，但输入范围为V IN(min) = V – + 1.0 至V IN(max) = V + – 1.2。我使用V – = –2.5 V 和V + = 2.5 V，因此理论上可接受的输入摆幅应为 –1.5 V 至 1.3 V。

　　由于未保持在运算放大器的输入信号摆幅规格范围内而导致的模拟失真。
　　图 3.与不符合运算放大器输入信号摆幅规格的共模输入电压相关的模拟失真。图片由罗伯特·凯姆提供
　　尽管非线性导致的失真可能不会在所有应用中都是灾难性的，但还是安全起见并确保电路始终符合输入摆幅限制。这通常可以轻松实现，只需调整电源电压或选择轨到轨运算放大器就足以防止输入范围违规。