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

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)算放大器制造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總結(jié)了過(guò)壓考慮事項(xiàng)。

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?plusmn;500 V的共?；虿罘蛛妷禾峁┍Ｗo(hù)。所有這些都是通過(guò)精密激光調(diào)整薄膜電阻陣列和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6:高壓儀表放大器IC AD629提供± 500 V輸入過(guò)壓保護(hù);僅采用單個(gè)器件，極其簡(jiǎn)單，并且實(shí)現(xiàn)了防故障關(guān)斷操作

分析該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，精密運(yùn)算放大器AD629周圍的阻性網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)一個(gè)分壓器，將施加于VIN的共模電壓降低20倍。AD629同時(shí)以單位增益將輸入差模信號(hào)VIN轉(zhuǎn)換成以本地接地為基準(zhǔn)的單端輸出信號(hào)。增益誤差不超過(guò)±0.03 %或±0.05 %,失調(diào)電壓不超過(guò)0.5 mV或1 mV(取決于器件等級(jí))。AD629的電源電壓范圍是±2.5 V至±18 V.