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Application Report
SLOA039A - December 1999
1
Application of Rail-to-Rail Operational Amplifiers
Andreas Hahn Mixed Signal Products
ABSTRACT
This application report assists design engineers to understand the functionality and benefits
of rail-to-rail operational amplifiers. It shows simplified schematics, functions, and
characteristics of the output and input stages. Typical application schematics for rail-to-rail
operational amplifier are also discussed.
Contents
Introduction 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dynamic Range and SNR in Low Single Supply Systems 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Output Stage 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Construction of a Rail-to-Rail Output Stage 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Dependence of Output Signal Load 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Slew Rate 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summary of Output Stage 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Input Stage 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Construction of a Standard Input Stage 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Construction of a Rail-to-Rail Input Stage 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summary of the Input Stage 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuits Which Use the Rail-to-Rail Characteristics 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Unity Gain Amplifier 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Measurement of the Supply Current 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differential Amplifier With Rail-to-Rail Output 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-VPP Square Wave Oscillator Up to 600 kHz 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Digital-to-Analog Converter With a Rail-to-Rail Output as an
Adjustable Reference Voltage Source 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summary 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
List of Figures
1 Rail-to-Rail Output Stage 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Output Stage of a TLC227x 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Output Drive Capability 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4A
VD
Dependent on the Load for TLV246x 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Output Signal TLV2462 With 100-Ω Load to Ground 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Output Signal TLV2462 With 100-Ω Load to V
DD
/2 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Inverting Amplifier 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 Change From Noninverting Amplifier to Buffer 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 Differential Amplifier 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
