運算放大器輸出相位反轉(zhuǎn)和輸入過壓保護

運算放大器輸出電壓相位反轉(zhuǎn)

本教程討論兩個與運算放大器相關的話題：輸出相位反轉(zhuǎn)和輸入過壓保護。

超過輸入共模電壓(CM)范圍時，某些運算放大器會發(fā)生輸出電壓相位反轉(zhuǎn)問題。其原因通常是運算放大器的一個內(nèi)部級不再具有足夠的偏置電壓而關閉，導致輸出電壓擺動到相反電源軌，直到輸入重新回到共模范圍內(nèi)為止。圖1所示為電壓跟隨器的輸出相位反轉(zhuǎn)情況。注意，輸入可能仍然在電源電壓軌內(nèi)，只不過高于或低于規(guī)定的共模限值之一。這通常發(fā)生在負范圍，最常發(fā)生相位反轉(zhuǎn)的是JFET和/或BiFET放大器，但某些雙極性單電源放大器也有可能發(fā)生。

圖1:電壓跟隨器的輸出電壓相位反轉(zhuǎn)

相位反轉(zhuǎn)通常只是暫時現(xiàn)象，但如果運算放大器在伺服環(huán)路內(nèi)，相位反轉(zhuǎn)可能會引起災難性后果。

運算放大器配置為單位增益電壓跟隨器時，最有可能發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。在反相模式下，相位反轉(zhuǎn)不是問題，因為兩個輸入均恒定不變，并且處于地電位(某些單電源應用中則處于中間電源電壓)。

大多數(shù)現(xiàn)代運算放大器都會使用電路設計技術(shù)來防止相位反轉(zhuǎn)。如果運算放大器能夠避免相位反轉(zhuǎn)，其數(shù)據(jù)手冊的主要特性部分一般會說明這一點，但技術(shù)規(guī)格部分不一定會說明。

對于軌到軌輸入運算放大器，輸入共模電壓包括電源軌，因此，只要輸入電壓不超過電源軌，運算放大器就不應發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。

圖2顯示了AD8625(四通道)、AD8626(雙通道)和AD8627(單通道)運算放大器系列的主要特性和絕對最大值規(guī)格。這些放大器具有JFET輸入，采用+5 V單電源供電時，輸入共模電壓范圍為0 V至+3 V(最大值)。無相位反轉(zhuǎn)特性意味著：在+3 V至+5 V的共模區(qū)間，輸出不會發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。

圖2:AD8625/AD8626/AD8627運算放大器的主要特性和絕對最大值規(guī)格

某些運算放大器可能僅在輸入超過電源軌時出現(xiàn)輸出電壓相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。然而，這種情況違反了輸入電壓的絕對最大值要求，應當避免。如果輸入過壓情況可能發(fā)生，則應增加適當?shù)谋Ｗo電路。多數(shù)情況下，這種保護電路也能起到防止輸出電壓相位反轉(zhuǎn)的作用，如下文所述。

輸入過壓保護和輸出相位反轉(zhuǎn)保護電路

絕對最大額定值是IC運算放大器的電壓、電流和溫度限值，一旦超出該值，運算放大器就會受損。通常對輸入引腳施加過大的電壓會破壞或損毀運算放大器。過壓狀況可以分為兩類：過壓和靜電放電(ESD)。

ESD電壓通常高達數(shù)千伏。大多數(shù)人都有被靜電電擊的體驗。在尼龍地毯上拖著腳走，特別是在干燥環(huán)境下，并觸摸金屬門把手，就有可能被電到，火花從指尖飛出。CMOS電路特別容易因ESD損壞，雙極性電路同樣可能受損。多數(shù)運算放大器的輸入引腳內(nèi)置ESD保護二極管，以便能夠在PC板裝配階段處理IC.為使電容和泄漏最小，這些二極管一般很小，不是用來應付數(shù)mA以上的持續(xù)輸入電流。

只要運算放大器的輸入共模電壓超出其電源范圍，即使電源已關閉，運算放大器也可能受損，.因此，幾乎所有運算放大器的絕對最大輸入額定值都將最大輸入電壓限制在如下電平：正負電源電壓加上大約0.3 V(即+VS + 0.3 V或–VS – 0.3 V)。即使規(guī)定絕對最大輸入電壓等于電源電壓(如圖2所示的情況)，這一經(jīng)驗法則也仍然適用。

雖然可能存在一些例外，但務必注意：當發(fā)生超出電源軌0.3 V以上的過壓狀況時，多數(shù)IC運算放大器需要輸入保護。

導致故障的原因并非過壓本身，而是過壓引起的電流會流入輸入引腳。如果輸入電流不超過5 mA(經(jīng)驗法則)，則不會造成嚴重破壞。然而，如果輸入持續(xù)處于過應力狀況，偏置電流和失調(diào)電壓等參數(shù)可能會發(fā)生變化。因此，過壓雖然不一定會損毀運算放大器，但應極力避免。

過壓保護措施一般包括在輸入引腳與電源之間放置外部二極管，以及增加限流電阻(參見圖3)。

二極管通常是肖特基二極管，因為其正向電壓較低(通常為300 mV,硅二極管則為700 mV)。

應用這些保護器件時必須謹慎。某些二極管可能有嚴重泄漏，額外的漏電流最終會變成運算放大器的偏置電流。某些二極管可能還有相當大的電容，這可能會限制頻率響應，對高速放大器的影響尤為嚴重。此外，外加限流電阻RLIMIT會增加噪聲。

圖3:使用肖特基箝位二極管和限流電阻的通用運放過壓保護網(wǎng)絡

除非數(shù)據(jù)手冊另有說明，運算放大器的輸入故障電流應等于或小于5 mA以免受損。這是一個保守的經(jīng)驗法則，基于典型運放輸入的金屬走線寬度。更高的電流會引起金屬遷移,這是一種累積效應，如果持續(xù)發(fā)生的話，最終會導致走線開路。如果存在遷移現(xiàn)象，故障可能需要經(jīng)過很長時間發(fā)生多次過壓才會顯現(xiàn)，這種故障非常難以發(fā)現(xiàn)。因此，即使一個放大器似乎能夠短時間承受遠高于5 mA的過壓電流，也必須將最大電流限制在5 mA(或以下)，以確保長期可靠性。

某些運算放大器，如OP27等，內(nèi)置保護二極管，但仍然需要限流。如果運算放大器具有保護二極管，它通常會規(guī)定最大差分輸入電流。原理示意圖上也應顯示該保護電路。

某些運算放大器的輸入還具有背靠背二極管，這不是用于輸入過壓保護，而是限制差分電壓。如果存在這種二極管，差分輸入電壓將有±700 mV的絕對最大額定值。

圖3所示電路是一個通用運算放大器共模保護電路。只要元件選擇得當，大量運算放大器的輸入都能獲得有效保護。注意：運算放大器可能還有連接到電源的內(nèi)部保護二極管(如圖所示)，當正向電壓超出或低于相應電源軌大約0.6 V時，該二極管就會導通。但在這種情況下，外部肖特基二極管與內(nèi)部二極管并聯(lián)，因而內(nèi)部單元永遠不會達到其閾值。將故障電流轉(zhuǎn)移到外部可以消除潛在的應力，從而保護運算放大器。