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

　　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(kāi)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(lèi)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(chēng)值開(kāi)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(jiàn)，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