運算放大器的輸入過壓保護和輸出相位反轉(zhuǎn)

　　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(yīng)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(yīng)，如果持續(xù)發(fā)生的話，最終會導(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(yīng)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(dāng)，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(dāng)正向電壓超出或低于相應(yīng)電源軌大約0.6 V時，該二極管就會導(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(yīng)力，從而保護運算放大器。

　　外部二極管還能帶來其它好處，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)計無法接受的。舉例來說，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.不過這里應(yīng)小心，對于非常高的電流，肖特基二極管壓降可能超過0.6 V,從而激活內(nèi)部運放二極管。

　　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與運算放大器輸入端串聯(lián)，產(chǎn)生一個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，對于偏置電流中等且大致相等的運算放大器(大部分是雙極性類型)，補償電阻RFB用于平衡直流失調(diào)，使該誤差最小。對于低偏置電流運算放大器(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，可以通過一組測試以經(jīng)驗來確定該值。通常，防止相位反轉(zhuǎn)的RLIMIT電阻值也會通過輸入共模箝位二極管來安全地限制故障電流。如果不確定，可以從1 k的標稱值開始測試。

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

　　輸入差分保護

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

　　過壓保護還有一點也同樣重要，那就是過大差分電壓引起的過壓。將過大差分電壓施加于某些運算放大器時，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，這是輸入級導(dǎo)通不良的第二種情況，發(fā)生在差分過壓狀況下。然而，對于PN結(jié)反向擊穿，問題的性質(zhì)可能更加微妙，圖4所示為一個運放輸入級的一部分。

　　圖4:具有D1-D2輸入差分過壓保護網(wǎng)絡(luò)的運算放大器輸入級

　　該電路適用于OP27等低噪聲運算放大器，也是許多其它采用低噪聲雙極性晶體管來構(gòu)成差分對Q1-Q2的放大器的典型保護電路。如果沒有任何保護，可以看出，兩個輸入間高于大約7 V的電壓將導(dǎo)致Q2或Q1(取決于相對極性)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導(dǎo)致兩個晶體管的增益和噪聲性能下降。發(fā)生射極-基極擊穿后，運算放大器參數(shù)(如偏置電流和噪聲等)可能會超出額定范圍。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，幾乎所有低噪聲運算放大器，無論是基于NPN還是PNP,都會采用保護二極管，如輸入上的D1-D2等。如果施加的電壓超過±0.6 V,這些二極管就會導(dǎo)通，從而保護晶體管。

　　虛線所示的串聯(lián)電阻起到限流作用(為保護二極管提供保護)，但所有情況下均未使用。例如，AD797沒有這些電阻，因為它們會降低器件的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，以防受差分過壓狀況影響。顯而易見，這里存在一個取舍關(guān)系，必須權(quán)衡考慮全面保護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運算放大器時，首先應(yīng)檢查所選器件的數(shù)據(jù)手冊，看它是否具有內(nèi)部保護。需要時，應(yīng)增加保護二極管D1-D2(如果運算放大器沒有內(nèi)置)，確保避免Q1-Q2射極-基極擊穿。如果應(yīng)用中運算放大器經(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