轨到轨运放（Rail-to-Rail Input Operational Amplifier）是一种在输入电压范围上具有广泛能力的运算放大器，能够处理从电源轨的负端到正端几乎全范围的信号，这使其在低电压供电系统中特别受欢迎。轨到轨运放的设计主要目标是提高在低电压工作环境下的信号处理能力，确保信号不会被限制在电源电压的范围内。
轨到轨输入级通常包括N沟道和P沟道场效应管输入对。如图1所示，P沟道场效应管负责处理接近负电源轨的输入电压，而N沟道管则处理接近正电源轨的输入电压。不过，这种设计存在一个潜在问题，即输入失调电压。输入失调电压是指当两个输入端处于理想中的零电压时，运放输出不为零的情况。在轨到轨运放中，如果共模输入电压涵盖了输入级的切换点，失调电压可能会发生变化，这对高精度应用可能会造成影响，尤其是在交流应用中可能导致失真。
为了减少这种影响，一些运放通过激光或电子校准来减小输入级的失调电压，但这并不能完全消除切换时的失调变化。此外，输入级的切换是基于输入电压与正电源轨的相对电压，而非输入电压与地的相对电压，这意味着在3.3V供电的运放中，输入级切换点可能位于电源中点，这在某些情况下可能会导致问题。
图2展示了一种不同的轨到轨输入级设计，使用内部电荷泵提升P沟道输入级的供电电压，使其超过正电源轨约2V，从而实现无需切换的全范围输入。这种设计避免了切换输入级带来的问题，因为只有一个输入级。虽然电荷泵曾因噪声问题而受到诟病，但现代技术已显著降低了其噪声，且电荷泵所需的外部电容也已被内部集成，其产生的噪声通常低于带内噪声。
并非所有应用都需要轨到轨输入。例如，反向放大电路和增益大于一倍的电路通常只需要轨到轨输出。选择是否使用轨到轨运放需要根据具体应用需求进行权衡。工程师可能会倾向于始终使用轨到轨运放以简化设计，但也需要注意不必要的轨到轨输入可能会带来的额外成本和潜在问题。
例如，OPA340是一款双输入级、校准输入偏置、5.5MHz轨到轨CMOS运放，而OPA343则没有校准输入偏置；OPA320采用输入级电荷泵、校准输入偏置，频率高达20MHz，而OPA322则是双输入级、未经过校准的20MHz轨到轨CMOS运放。了解这些特性有助于工程师做出更适合他们特定应用的选择。
理解轨到轨输入运放的工作原理、优缺点及其在实际应用中的影响是至关重要的。选择合适的运放不仅关乎性能，还涉及成本、功耗和系统稳定性等多个因素。在设计过程中，充分考虑这些因素并做出明智的决策，是保证电路性能的关键。
