運算放大器輸出相位反轉和輸入過壓保護分析

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?shù)腞LIMIT,使得在最差情況的VIN下，最大電流不超過5 mA.這一要求可能導致RLIMIT值相當大，相關的噪聲和失調電壓增加可能是設計無法接受的。舉例來說，為了預防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,從而激活內部運放二極管。

為使失調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，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相關噪聲最小，應利用一個電容CF將其旁路。

消除輸出相位反轉

許多情況下，增加合適的RLIMIT電阻可以防止輸出相位反轉。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的RLIMIT電阻值。不過，可以通過一組測試以經驗來確定該值。通常，防止相位反轉的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于過壓共模狀況，它通常與輸入級結構固有的PN結正偏有關。

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，可能導致其工作性能降低。

這種性能降低是由反向結擊穿引發(fā)的，這是輸入級導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結反向擊穿，問題的性質可能更加微妙，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絡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的電壓將導致Q2或Q1(取決于相對極性)反向結擊穿。注意，如果是射極-基極擊穿，則很小的反向電流也會導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系，必須權衡考慮全面保護的程度與噪聲性能的降幅。注意，應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。

應用低噪聲雙極性輸入級運算放大器時，首先應檢查所選器件的數(shù)據(jù)手冊，看它是否具有內部保護。需要時，應增加保護二極管D1-D2(如果運算放大器沒有內置)，確保避免Q1-Q2射極-基極擊穿。如果應用中運算放大器經歷的差分瞬變高于5 V,這些二極管應能處理。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，如基極-集電極和JFET柵極-源極結等，在擊穿時不會表現(xiàn)出這樣的性能降低。對于這些結，輸入電流應以5 mA為限，除非數(shù)據(jù)手冊另有規(guī)定。

運算放大器和儀表放大器的這些不同過壓防范措施看起來很復雜，事實上也的確如此!只要運算放大器(或儀表放大器)輸入(和輸出)超出設備邊界條件，就可能發(fā)生危險情況或器件損毀。顯然，為了實現(xiàn)最高可靠性，必須防患于未然。

幸運的是，大多數(shù)應用都是完全內置于設備中，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方案。

圖5總結了過壓考慮事項。

圖5:電路內過壓考慮事項匯總

采用高共模電壓儀表放大器的共模過壓保護

在精密運算放大器之前進行阻性輸入衰減，是模擬通道過壓保護的終極簡化方案。這一組合相當于一個支持高壓的儀表放大器，如AD629等，它能夠以線性方式對疊加于最高±270 V共模電壓的差分信號進行處理。此外，過壓保護考慮最重要的一點是，片內電阻能夠為最高±500 V的共?；虿罘蛛妷禾峁┍Ｗo。所有這些都是通過精密激光調整薄膜電阻陣列和運算放大器實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6:高壓儀表放大器IC AD629提供± 500 V輸入過壓保護;僅采用單個器件，極其簡單，并且實現(xiàn)了防故障關斷操作

分析該拓撲結構可知，精密運算放大器AD629周圍的阻性網絡充當一個分壓器，將施加于VIN的共模電壓降低20倍。AD629同時以單位增益將輸入差模信號VIN轉換成以本地接地為基準的單端輸出信號。增益誤差不超過±0.03 %或±0.05 %,失調電壓不超過0.5 mV或1 mV(取決于器件等級)。AD629的電源電壓范圍是±2.5 V至±18 V.