運算放大器的輸入過(guò)壓保護和輸出相位反轉

　　除非數據手冊另有說(shuō)明，運算放大器的輸入故障電流應等于或小于5 mA以免受損。這是一個(gè)保守的經(jīng)驗法則，基于典型運放輸入的金屬走線(xiàn)寬度。更高的電流會(huì )引起"金屬遷移",這是一種累積效應，如果持續發(fā)生的話(huà)，最終會(huì )導致走線(xiàn)開(kāi)路。如果存在遷移現象，故障可能需要經(jīng)過(guò)很長(cháng)時(shí)間發(fā)生多次過(guò)壓才會(huì )顯現，這種故障非常難以發(fā)現。因此，即使一個(gè)放大器似乎能夠短時(shí)間承受遠高于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(cháng)期可靠性。

　　某些運算放大器，如OP27等，內置保護二極管，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(huì )規定最大差分輸入電流。原理示意圖上也應顯示該保護電路。

　　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(guò)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(gè)通用運算放大器共模保護電路。只要元件選擇得當，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部保護二極管(如圖所示)，當正向電壓超出或低于相應電源軌大約0.6 V時(shí)，該二極管就會(huì )導通。但在這種情況下，外部肖特基二極管與內部二極管并聯(lián)，因而內部單元永遠不會(huì )達到其閾值。將故障電流轉移到外部可以消除潛在的應力，從而保護運算放大器。

　　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算放大器，則必須選擇適當的RLIMIT,使得在最差情況的VIN下，最大電流不超過(guò)5 mA.這一要求可能導致RLIMIT值相當大，相關(guān)的噪聲和失調電壓增加可能是設計無(wú)法接受的。舉例來(lái)說(shuō)，為了預防100 V的VIN,根據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)這里應小心，對于非常高的電流，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(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(lèi)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(guān)噪聲最小，應利用一個(gè)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(guò)，可以通過(guò)一組測試以經(jīng)驗來(lái)確定該值。通常，防止相位反轉的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的標稱(chēng)值開(kāi)始測試。

　　通常而言，FET輸入運算放大器只需要限流串聯(lián)電阻來(lái)提供保護，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(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(guò)壓共模狀況，它通常與輸入級結構固有的PN結正偏有關(guān)。

　　過(guò)壓保護還有一點(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算放大器時(shí)，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(guò)壓狀況下。然而，對于PN結反向擊穿，問(wèn)題的性質(zhì)可能更加微妙，圖4所示為一個(gè)運放輸入級的一部分。

　　圖4:具有D1-D2輸入差分過(guò)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(lái)構成差分對Q1-Q2的放大器的典型保護電路。如果沒(méi)有任何保護，可以看出，兩個(gè)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(huì )導致兩個(gè)晶體管的增益和噪聲性能下降。發(fā)生射極-基極擊穿后，運算放大器參數(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，幾乎所有低噪聲運算放大器，無(wú)論是基于NPN還是PNP,都會(huì )采用保護二極管，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 )導通，從而保護晶體管。

　　虛線(xiàn)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(méi)有這些電阻，因為它們會(huì )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(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(shí)，首先應檢查所選器件的數據手冊，看它是否具有內部保護。需要時(shí)，應增加保護二極管D1-D2(如果運算放大器沒(méi)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(jīng)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