運算放大器的輸入過(guò)壓保護和輸出相位反轉

運算放大器輸出電壓相位反轉

　　超過(guò)輸入共模電壓(CM)范圍時(shí)，某些運算放大器會(huì )發(fā)生輸出電壓相位反轉問(wèn)題。其原因通常是運算放大器的一個(gè)內部級不再具有足夠的偏置電壓而關(guān)閉，導致輸出電壓擺動(dòng)到相反電源軌，直到輸入重新回到共模范圍內為止。圖1所示為電壓跟隨器的輸出相位反轉情況。注意，輸入可能仍然在電源電壓軌內，只不過(guò)高于或低于規定的共模限值之一。這通常發(fā)生在負范圍，最常發(fā)生相位反轉的是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

　　相位反轉通常只是暫時(shí)現象，但如果運算放大器在伺服環(huán)路內，相位反轉可能會(huì )引起災難性后果。

　　運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。在反相模式下，相位反轉不是問(wèn)題，因為兩個(gè)輸入均恒定不變，并且處于地電位(某些單電源應用中則處于中間電源電壓)。

　　大多數現代運算放大器都會(huì )使用電路設計技術(shù)來(lái)防止相位反轉。如果運算放大器能夠避免相位反轉，其數據手冊的"主要特性"部分一般會(huì )說(shuō)明這一點(diǎn)，但"技術(shù)規格"部分不一定會(huì )說(shuō)明。

　　對于"軌到軌"輸入運算放大器，輸入共模電壓包括電源軌，因此，只要輸入電壓不超過(guò)電源軌，運算放大器就不應發(fā)生相位反轉。

　　圖2顯示了AD8625(四通道)、AD8626(雙通道)和AD8627(單通道)運算放大器系列的"主要特性"和絕對最大值規格。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(wú)相位反轉"特性意味著(zhù)：在+3 V至+5 V的共模區間，輸出不會(huì )發(fā)生相位反轉。

　　圖2:AD8625/AD8626/AD8627運算放大器的"主要特性"和絕對最大值規格

　　某些運算放大器可能僅在輸入超過(guò)電源軌時(shí)出現輸出電壓相位反轉現象。然而，這種情況違反了輸入電壓的絕對最大值要求，應當避免。如果輸入過(guò)壓情況可能發(fā)生，則應增加適當的保護電路。多數情況下，這種保護電路也能起到防止輸出電壓相位反轉的作用，如下文所述。

　　輸入過(guò)壓保護和輸出相位反轉保護電路

　　絕對最大額定值是IC運算放大器的電壓、電流和溫度限值，一旦超出該值，運算放大器就會(huì )受損。通常對輸入引腳施加過(guò)大的電壓會(huì )破壞或損毀運算放大器。過(guò)壓狀況可以分為兩類(lèi)：過(guò)壓和靜電放電(ESD)。

　　ESD電壓通常高達數千伏。大多數人都有被靜電電擊的體驗。在尼龍地毯上拖著(zhù)腳走，特別是在干燥環(huán)境下，并觸摸金屬門(mén)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。多數運算放大器的輸入引腳內置ESD保護二極管，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(lái)應付數mA以上的持續輸入電流。

　　只要運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，運算放大器也可能受損，.因此，幾乎所有運算放大器的絕對最大輸入額定值都將最大輸入電壓限制在如下電平：正負電源電壓加上大約0.3 V(即+VS + 0.3 V或–VS – 0.3 V)。即使規定絕對最大輸入電壓等于電源電壓(如圖2所示的情況)，這一經(jīng)驗法則也仍然適用。

　　雖然可能存在一些例外，但務(wù)必注意：當發(fā)生超出電源軌0.3 V以上的過(guò)壓狀況時(shí)，多數IC運算放大器需要輸入保護。

　　導致故障的原因并非過(guò)壓本身，而是過(guò)壓引起的電流會(huì )流入輸入引腳。如果輸入電流不超過(guò)5 mA(經(jīng)驗法則)，則不會(huì )造成嚴重破壞。然而，如果輸入持續處于過(guò)應力狀況，偏置電流和失調電壓等參數可能會(huì )發(fā)生變化。因此，過(guò)壓雖然不一定會(huì )損毀運算放大器，但應極力避免。

　　過(guò)壓保護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(jiàn)圖3)。

　　二極管通常是肖特基二極管，因為其正向電壓較低(通常為300 mV,硅二極管則為700 mV)。

　　應用這些保護器件時(shí)必須謹慎。某些二極管可能有嚴重泄漏，額外的漏電流最終會(huì )變成運算放大器的偏置電流。某些二極管可能還有相當大的電容，這可能會(huì )限制頻率響應，對高速放大器的影響尤為嚴重。此外，外加限流電阻RLIMIT會(huì )增加噪聲。

　　圖3:使用肖