運(yùn)算放大器輸出相位反轉(zhuǎn)和輸入過(guò)壓保護(hù)分析

　　超過(guò)輸入共模電壓(CM)范圍時(shí)，某些運(yùn)算放大器會(huì)發(fā)生輸出電壓相位反轉(zhuǎn)問(wèn)題。其原因通常是運(yùn)算放大器的一個(gè)內(nèi)部級(jí)不再具有足夠的偏置電壓而關(guān)閉，導(dǎo)致輸出電壓擺動(dòng)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(guò)高于或低于規(guī)定的共模限值之一。這通常發(fā)生在負(fù)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(shí)現(xiàn)象，但如果運(yùn)算放大器在伺服環(huán)路內(nèi)，相位反轉(zhuǎn)可能會(huì)引起災(zāi)難性后果。運(yùn)算放大器配置為單位增益電壓跟隨器時(shí)，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(wèn)題，因?yàn)閮蓚€(gè)輸入均恒定不變，并且處于地電位(某些單電源應(yīng)用中則處于中間電源電壓)。

　　大多數(shù)現(xiàn)代運(yùn)算放大器都會(huì)使用電路設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)防止相位反轉(zhuǎn)。如果運(yùn)算放大器能夠避免相位反轉(zhuǎn)，其數(shù)據(jù)手冊(cè)的"主要特性"部分一般會(huì)說(shuō)明這一點(diǎn)，但"技術(shù)規(guī)格"部分不一定會(huì)說(shuō)明。

　　對(duì)于"軌到軌"輸入運(yùn)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(guò)電源軌，運(yùn)算放大器就不應(yīng)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(yùn)算放大器系列的"主要特性"和絕對(duì)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(shí)，輸入共模電壓范圍為0 V至+3 V(最大值)。"無(wú)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(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。

　　圖2:AD8625/AD8626/AD8627運(yùn)算放大器的"主要特性"和絕對(duì)最大值規(guī)格

　　某些運(yùn)算放大器可能僅在輸入超過(guò)電源軌時(shí)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(duì)最大值要求，應(yīng)當(dāng)避免。如果輸入過(guò)壓情況可能發(fā)生，則應(yīng)增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。多數(shù)情況下，這種保護(hù)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(guò)壓保護(hù)和輸出相位反轉(zhuǎn)保護(hù)電路

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

　　ESD電壓通常高達(dá)數(shù)千伏。大多數(shù)人都有被靜電電擊的體驗(yàn)。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(yùn)算放大器的輸入引腳內(nèi)置ESD保護(hù)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(lái)應(yīng)付數(shù)mA以上的持續(xù)輸入電流。

　　只要運(yùn)算放大器的輸入共模電壓超出其電源范圍，即使電源已關(guān)閉，運(yùn)算放大器也可能受損，.因此，幾乎所有運(yùn)算放大器的絕對(duì)最大輸入額定值都將最大輸入電壓限制在如下電平：正負(fù)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(duì)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(yàn)法則也仍然適用。

　　雖然可能存在一些例外，但務(wù)必注意：當(dāng)發(fā)生超出電源軌0.3 V以上的過(guò)壓狀況時(shí)，多數(shù)IC運(yùn)算放大器需要輸入保護(hù)。

　　導(dǎo)致故障的原因并非過(guò)壓本身，而是過(guò)壓引起的電流會(huì)流入輸入引腳。如果輸入電流不超過(guò)5 mA(經(jīng)驗(yàn)法則)，則不會(huì)造成嚴(yán)重破壞。然而，如果輸入持續(xù)處于過(guò)應(yīng)力狀況，偏置電流和失調(diào)電壓等參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化。因此，過(guò)壓雖然不一定會(huì)損毀運(yùn)算放大器，但應(yīng)極力避免。

　　過(guò)壓保護(hù)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?yàn)槠湔螂妷狠^低(通常為300 mV,硅二極管則為700 mV)。

　　應(yīng)用這些保護(hù)器件時(shí)必須謹(jǐn)慎。某些二極管可能有嚴(yán)重泄漏，額外的漏電流最終會(huì)變成運(yùn)算放大器的偏置電流。某些二極管可能還有相當(dāng)大的電容，這可能會(huì)限制頻率響應(yīng)，對(duì)高速放大器的影響尤為嚴(yán)重。此外，外加限流電阻RLIMIT會(huì)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(yùn)放過(guò)壓保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

　　除非數(shù)據(jù)手冊(cè)另有說(shuō)明，運(yùn)算放大器的輸入故障電流應(yīng)等于或小于5 mA以免受損。這是一個(gè)保守的經(jīng)驗(yàn)法則，基于典型運(yùn)放輸入的金屬走線寬度。更高的電流會(huì)引起"金屬遷移",這是一種累積效應(yīng)，如果持續(xù)發(fā)生的話，最終會(huì)導(dǎo)致走線開路。如果存在遷移現(xiàn)象，故障可能需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生多次過(guò)壓才會(huì)顯現(xiàn)，這種故障非常難以發(fā)現(xiàn)。因此，即使一個(gè)放大器似乎能夠短時(shí)間承受遠(yuǎn)高于5 mA的過(guò)壓電流，也必須將最大電流限制在5 mA(或以下)，以確保長(zhǎng)期可靠性。

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

　　某些運(yùn)算放大器的輸入還具有背靠背二極管，這不是用于輸入過(guò)壓保護(hù)，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(duì)最大額定值。

　　圖3所示電路是一個(gè)通用運(yùn)算放大器共模保護(hù)電路。只要元件選擇得當(dāng)，大量運(yùn)算放大器的輸入都能獲得有效保護(hù)。注意：運(yùn)算放大器可能還有連接到電源的內(nèi)部保護(hù)二極管(如圖所示)，當(dāng)正向電壓超出或低于相應(yīng)電源軌大約0.6 V時(shí)，該二極管就會(huì)導(dǎo)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(yuǎn)不會(huì)達(dá)到其閾值。將故障電流轉(zhuǎn)移到外部可以消除潛在的應(yīng)力，從而保護(hù)運(yùn)算放大器。

　　外部二極管還能帶來(lái)其它好處，有些可能不太明顯。例如，如果允許故障電流流入運(yùn)算放大器，則必須選擇適當(dāng)?shù)腞LIMIT,使得在最差情況的VIN下，最大電流不超過(guò)5 mA.這一要求可能導(dǎo)致RLIMIT值相當(dāng)大，相關(guān)的噪聲和失調(diào)電壓增加可能是設(shè)計(jì)無(wú)法接受的。舉例來(lái)說(shuō)，為了預(yù)防100 V的VIN,根據(jù)5 mA要求，RLIMIT必須大于或等于20 k.然而，如果有外部肖特基箝位二極管，則RLIMIT可以由最大容許的D1-D2電流決定，它可以大于5 mA.不過(guò)這里應(yīng)小心，對(duì)于非常高的電流，肖特基二極管壓降可能超過(guò)0.6 V,從而激活內(nèi)部運(yùn)放二極管。

　　為使失調(diào)電壓和噪聲誤差最小，必須使RLIMIT的值盡可能低。RLIMIT與運(yùn)算放大器輸入端串聯(lián)，產(chǎn)生一個(gè)與偏置電流成比例的壓降。如果不校正，此電壓將表現(xiàn)為電路失調(diào)電壓增加。因此，對(duì)于偏置電流中等且大致相等的運(yùn)算放大器(大部分是雙極性類型)，補(bǔ)償電阻RFB用于平衡直流失調(diào)，使該誤差最小。對(duì)于低偏置電流運(yùn)算放大器(Ib ≤10 nA或FET型)，有可能不需要RFB.為使RFB相關(guān)噪聲最小，應(yīng)利用一個(gè)電容CF將其旁路。

　　消除輸出相位反轉(zhuǎn)

　　許多情況下，增加合適的RLIMIT電阻可以防止輸出相位反轉(zhuǎn)。然而，許多運(yùn)算放大器**商未必始終能夠提供適合防止輸出相位反轉(zhuǎn)的RLIMIT電阻值。不過(guò)，可以通過(guò)一組測(cè)試以經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定該值。通常，防止相位反轉(zhuǎn)的RLIMIT電阻值也會(huì)通過(guò)輸入共模箝位二極管來(lái)安全地限制故障電流。如果不確定，可以從1 k的標(biāo)稱值開始測(cè)試。

　　通常而言，F(xiàn)ET輸入運(yùn)算放大器只需要限流串聯(lián)電阻來(lái)提供保護(hù)，但雙極性輸入放大器最好同時(shí)用限流電阻和肖特基二極管來(lái)提供保護(hù)(如圖3所示的RLIMIT和D2)。

　　輸入差分保護(hù)

　　到目前為止的討論都是關(guān)于過(guò)壓共模狀況，它通常與輸入級(jí)結(jié)構(gòu)固有的PN結(jié)正偏有關(guān)。

　　過(guò)壓保護(hù)還有一點(diǎn)也同樣重要，那就是過(guò)大差分電壓引起的過(guò)壓。將過(guò)大差分電壓施加于某些運(yùn)算放大器時(shí)，可能導(dǎo)致其工作性能降低。

　　這種性能降低是由"反向結(jié)擊穿"引發(fā)的，這是輸入級(jí)導(dǎo)通不良的第二種情況，發(fā)生在差分過(guò)壓狀況下。然而，對(duì)于PN結(jié)反向擊穿，問(wèn)題的性質(zhì)可能更加微妙，圖4所示為一個(gè)運(yùn)放輸入級(jí)的一部分。

　　圖4:具有D1-D2輸入差分過(guò)壓保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算放大器輸入級(jí)

　　該電路適用于OP27等低噪聲運(yùn)算放大器，也是許多其它采用低噪聲雙極性晶體管來(lái)構(gòu)成差分對(duì)Q1-Q2的放大器的典型保護(hù)電路。如果沒(méi)有任何保護(hù)，可以看出，兩個(gè)輸入間高于大約7 V的電壓將導(dǎo)致Q2或Q1(取決于相對(duì)極性)反向結(jié)擊穿。注意，如果是射極-基極擊穿，則很小的反向電流也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)晶體管的增益和噪聲性能下降。發(fā)生射極-基極擊穿后，運(yùn)算放大器參數(shù)(如偏置電流和噪聲等)可能會(huì)超出額定范圍。這通常是永久性的，逐漸而微妙地發(fā)生，特別是在由瞬變觸發(fā)的情況下。因此，幾乎所有低噪聲運(yùn)算放大器，無(wú)論是基于NPN還是PNP,都會(huì)采用保護(hù)二極管，如輸入上的D1-D2等。如果施加的電壓超過(guò)±0.6 V,這些二極管就會(huì)導(dǎo)通，從而保護(hù)晶體管。

　　虛線所示的串聯(lián)電阻起到限流作用(為保護(hù)二極管提供保護(hù))，但所有情況下均未使用。例如，AD797沒(méi)有這些電阻，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低器件的1 nV/Hz額定噪聲性能。注意，如果內(nèi)部缺少這些電阻，則必須提供外部限流措施，以防受差分過(guò)壓狀況影響。顯而易見，這里存在一個(gè)取舍關(guān)系，必須權(quán)衡考慮全面保護(hù)的程度與噪聲性能的降幅。注意，應(yīng)用電路本身可能已在運(yùn)算放大器輸入中提供足夠的電阻，因而不需要額外的電阻。

　　應(yīng)用低噪聲雙極性輸入級(jí)運(yùn)算放大器時(shí)，首先應(yīng)檢查所選器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，看它是否具有內(nèi)部保護(hù)。需要時(shí)，應(yīng)增加保護(hù)二極管D1-D2(如果運(yùn)算放大器沒(méi)有內(nèi)置)，確保避免Q1-Q2射極-基極擊穿。如果應(yīng)用中運(yùn)算放大器經(jīng)歷的差分瞬變高于5 V,這些二極管應(yīng)能處理。普通的低電容二極管足以勝任，如1N4148系列。視需要增加限流電阻，以便將二極管電流限制在安全水平。

　　其它IC器件結(jié)，如基極-集電極和JFET柵極-源極結(jié)等，在擊穿時(shí)不會(huì)表現(xiàn)出這樣的性能降低。對(duì)于這些結(jié)，輸入電流應(yīng)以5 mA為限，除非數(shù)據(jù)手冊(cè)另有規(guī)定。

　　運(yùn)算放大器和儀表放大器的這些不同過(guò)壓防范措施看起來(lái)很復(fù)雜，事實(shí)上也的確如此!只要運(yùn)算放大器(或儀表放大器)輸入(和輸出)超出設(shè)備邊界條件，就可能發(fā)生危險(xiǎn)情況或器件損毀。顯然，為了實(shí)現(xiàn)最高可靠性，必須防患于未然。

　　幸運(yùn)的是，大多數(shù)應(yīng)用都是完全內(nèi)置于設(shè)備中，通?？吹降氖遣捎猛浑娫聪到y(tǒng)的其它IC的輸入和輸出。因此，這種情況下一般不需要箝位和保護(hù)方案。

　　圖5:電路內(nèi)過(guò)壓考慮事項(xiàng)匯總

　　采用高共模電壓儀表放大器的共模過(guò)壓保護(hù)

　　在精密運(yùn)算放大器之前進(jìn)行阻性輸入衰減，是模擬通道過(guò)壓保護(hù)的終極簡(jiǎn)化方案。這一組合相當(dāng)于一個(gè)支持高壓的儀表放大器，如AD629等，它能夠以線性方式對(duì)疊加于最高±270 V共模電壓的差分信號(hào)進(jìn)行處理。此外，過(guò)壓保護(hù)考慮最重要的一點(diǎn)是，片內(nèi)電阻能夠?yàn)樽罡摺?00 V的共?；虿罘蛛妷禾峁┍Ｗo(hù)。

　　ADA4091-2是一款雙通道、微功耗、單電源、3 MHz帶寬放大器，具有軌到軌輸入與輸出特性。ADA4091-2保證可采用+3 V至+36 V單電源供電以及±1.5 V至±18 V雙電源供電。

　　ADA4091-2擁有過(guò)壓保護(hù)輸入和二極管，允許輸入電壓高于或低于供電軌12 V,非常適合魯棒的工業(yè)應(yīng)用。

　　具體應(yīng)用包括便攜式電信設(shè)備、電源控制與保護(hù)、分流檢測(cè)，以及具有寬輸出范圍的傳感器接口