運(yùn)算放大器輸出相位反轉(zhuǎn)和輸入過壓保護(hù)分析

超過輸入共模電壓(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)說明這一點(diǎn)，但技術(shù)規(guī)格部分不一定會(huì)說明。

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)輸入引腳施加過大的電壓會(huì)破壞或損毀運(yùn)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(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壓本身，而是過壓引起的電流會(huì)流入輸入引腳。如果輸入電流不超過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，過壓雖然不一定會(huì)損毀運(yùn)算放大器，但應(yīng)極力避免。

過壓保護(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)放過壓保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

除非數(shù)據(jù)手冊(cè)另有說明，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)過很長時(shí)間發(fā)生多次過壓才會(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(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。