运算放大器的共模输入电压（CMVIN）是多少？

共模输入电压（CMVIN）在运算放大器数据表的电气特性中定义。该特性是当相同的信号施加到IN（+）和 IN（-）端子时，满足数据表的电气特性（CMRR等）的输入电压。

表1：数据表中显示的共模输入电压示例（TC75S51FU）
表1：数据表中显示的共模输入电压示例（TC75S51FU）

您可能认为共模信号永远不会施加至运算放大器。然而，运算放大器通常都与负反馈联用，这会导致IN（＋）和IN（－）端子发生虚拟短路。这相当于向运算放大器施加共模信号（或电压差很小的信号）。
如果运算放大器的输入信号超出规定的共模输入电压范围，则差分放大器的增益会降低，从而导致输出信号失真。如果输入电压更高并超过最大额定差分输入电压，设备性能可能会下降或永久性损坏。

图1：运算放大器的等效输入电路
图1：运算放大器的等效输入电路

如图1所示，典型运算放大器的等效输入电路由差分输入对、电流源和电流镜像（有源负载）组成。由参考偏置（VB1）确定的电流源决定了流向差分输入对的电量。由于采用电流镜像电路，差分输入对基本上为Qn1和Qn2提供相同的电流。因此，VDS_qn2被传输至运算放大器的输出级。

假设VIN(+)和VIN(-)均降低了ΔV。这会导致Qp2和Qp3的源极-栅极电压（VSG）升高，进而导致其漏极电流增大。由于恒流源提供更多电流，Qp1（VDS_qp1）的漏源电压也升高。故Qp2和Qp3的源极-栅极电压（VSG）回落至此前的电平。
因此，当共模信号施加至运算放大器的差分输入对时，运算放大器的输出保持不变。
上述操作基于MOSFET均位于饱和区的假定。

接下来，让我们考虑MOSFET进入饱和区的条件。图2显示了N沟道MOSFET（SSM3K16）的ID-VDS曲线。在饱和区的漏源电压（VDS）范围内，漏极电流几乎保持恒定（ΔV/ΔI＝高阻抗）。为使MOSFET在饱和区工作，必须满足以下关系，其中Vth为漏极电流开始流动时的栅极-源极电压（VGS）。
VDS>VGS-Vth（1）

图2：MOSFET ID-VDS曲线
图2：MOSFET ID-VDS曲线

这里我们用一个VIN(+)相对于GND的公式来确定其最小值VIN(+)_min。
VIN(+)＝VGS_qn1＋VSD_qp2–VSG_qp2（2）
在VIN(+)_min条件下，Qp2的源极-漏极电压降至一个称为“夹断电压”的电平；此时，Qp2即将从饱和区转至线性区域。假设该电压为VSD_qp2_min，漏极电流开始流动时Qp2的阈值电压为Vth_qp2。随后，通过表示饱和条件的方程1得出以下方程：
VSD_qp2_min＝VSG_qp2–Vth_Qp2（3）
将方程2代入方程3后得出：
VIN(+)_min＝VGS_qn1–Vth_qp2（4）


此前我们一直将MOSFET视为三端器件。然而，实际上还有一个称为“背栅”的端子。（如为典型的分立MOSFET，背栅在内部连接至源极端子。）

图3：N沟道MOSFET的简化截面图
图3：N沟道MOSFET的简化截面图
图4：MOSFET符号
图4：MOSFET符号
什么是运算放大器的共模输入电压？

如为P沟道MOSFET，当背栅的电压高于源极时，耗尽区扩大，导致Vth升高。因此，当Qp2和Qp3的背栅连接至VDD时，公式4中的Vth值会变大。此外，通过工艺优化降低夹断电压（即公式4中的VGS_qn1），可将VIN(+)_min降至零。

接下来，我们用一个VIN(+)相对于VDD的公式来确定其最大值VIN(+)_max。
VIN(+)＝VDD–VSD_qp1 – VSG_qp2 (5)
当施加VIN(+)时，Qp2的源漏电压（VSD_qp2）升高，导致VSD_qp1达到最小饱和电压（VSD_qp1_min）。如果VSD_qp2进一步升高，Qp1进入线性区域，导致漏极电流和增益下降。

因此，具有由P沟道MOSFET组成的差分输入对的运算放大器可用于GND和VDD – (VSD_qp1 + VSG_qp2)之间的输入电压（共模输入电压），而具有由N沟道MOSFET组成的差分输入对的运算放大器可用于(VDS_qn1 + VGS_qn2)和VDD之间的输入电压。
不同于这些类型的运算放大器，轨对轨运算放大器的输入差分级由并联的N沟道MOSFET对和P沟道MOSFET对组成。轨对轨运算放大器的共模输入电压范围几乎涵盖了GND到VDD的整个范围。

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