運(yùn)算放大器的保護(hù)放大器輸入保護(hù)的利與弊

1、目前廣泛應(yīng)用的電壓型集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸岀之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開(kāi)方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類(lèi)非常多，可適用于不同的場(chǎng)合。321集成運(yùn)算放大器的分類(lèi)按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分，集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)。1 通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉 、產(chǎn)品量大面廣其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例A741 （單運(yùn)放）、LM358 （雙運(yùn)

2、放）、LM324 （四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的 LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2高阻型運(yùn)算放大器這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid （ 10 9io 12）,Iib為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn) ，但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347 （四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的 CA3130、CA3140等。3 低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀

3、器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。4 高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率Sr 一定要高，單位增益帶寬BWG 一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放 大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、A715等，其Sr=5070V/s,BWg 20MHz。5 低功耗型運(yùn)算放大

4、器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大 ，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為士 2V18V,消耗電流為50250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí) ，例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10 W,可采用單節(jié)電池供電。6 高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸岀電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸岀電壓的最大值一般僅幾十伏，輸岀電流僅幾十毫安。若要提高輸岀電壓或增大輸岀電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路

5、，即可輸岀高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)士150V,A791集成運(yùn)放的輸岀電流可達(dá)1A。正確選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運(yùn)算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用要求不一樣，對(duì)運(yùn)算放大器的性能要求也不一樣。在沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合，盡量選用通用型集成運(yùn)放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當(dāng)一個(gè)系 統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí)，盡可能選用多運(yùn)放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝 在一起的集成電路。評(píng)價(jià)集成運(yùn)放性能的優(yōu)劣，應(yīng)看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來(lái)衡量集成運(yùn)放的優(yōu)良程度，其定義為：式中,SR為轉(zhuǎn)換率，單位為V/ s,其值越

6、大，表明運(yùn)放的交流特性越好；hb為運(yùn)放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調(diào)電壓，單位是mV。丨ib和Vos值越小，表明運(yùn)放的直流特性越好。所以 對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路，選SR （轉(zhuǎn)換速率）大的運(yùn)放比較合適；對(duì)于處理微弱的直流信號(hào)的電路，選用精度比較的高的運(yùn)放比較合適（既失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫飄均比較小）。實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)，除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外，還應(yīng)考慮其他因素。例如信號(hào)源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿(mǎn)足要求；環(huán)境條件，集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿(mǎn)足要求。323 集成運(yùn)算放大器的使用要點(diǎn)1 集成運(yùn)放的電源

7、供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。（1 ）對(duì)稱(chēng)雙電源供電方式運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端（地）的正電源（+E ）與負(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上 ，而輸岀電壓 的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱(chēng)電源電壓。（2 ）單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，如圖321所示。此時(shí)運(yùn)放的輸岀是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。對(duì)于圖交流放大器，靜

8、態(tài)時(shí)，運(yùn)算放大器的輸岀電壓近似為VCC12,為了隔離掉輸岀中的直流成分接入電容C3。運(yùn)算放大器單電源供電電路2 集成運(yùn)放的調(diào)零問(wèn)題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行,而對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部調(diào)零端補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零子的集成運(yùn)放，要采用外部調(diào)零方法。下面以 A741為例，圖給岀了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖(b)是外部調(diào)零電路。3 集成運(yùn)放的自激振蕩問(wèn)題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器，在接成

9、深度負(fù)反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。圖 是相位補(bǔ)償?shù)?使用電路圖322 運(yùn)算放大器的常用調(diào)零電路圖3.2.3運(yùn)算放大器的自激消除另外,防止通過(guò)電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)供電電源的輸入端對(duì)地一定要分別加入一電解電容(10 F)和一高頻濾波電容(0.01F0.1F)。如圖所示。4 集成運(yùn)放的保護(hù)問(wèn)題集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸岀保護(hù)。(1 )電源保護(hù)。電源的常見(jiàn)故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護(hù)和電源電壓突變保護(hù)電路見(jiàn)圖(a)、(b)所示。對(duì)于性能較差的電源，在電源接

10、通和斷開(kāi)瞬間，往往岀現(xiàn)電壓過(guò)沖。圖(b)中采用FET電流源和穩(wěn)壓管鉗位保護(hù)，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值大于集成運(yùn)放的正常工作電壓而小于集成運(yùn)放的最大允許工作電壓。FET管的電流應(yīng)大于集成運(yùn)放的正常工作電流。(2 )輸入保護(hù)。集成運(yùn)放的輸入差模電壓過(guò)高或者輸入共模電壓過(guò)高(超出該集成運(yùn)放的極限參數(shù)范圍)，集成運(yùn)放也會(huì)損壞。圖所示是典型的輸入保護(hù)電路。_v -V圖324 集成運(yùn)放電源保護(hù)電路圖325集成運(yùn)放輸入保護(hù)電路(3 )輸出保護(hù)。當(dāng)集成運(yùn)放過(guò)載或輸出端短路時(shí)，若沒(méi)有保護(hù)電路，該運(yùn)放就會(huì)損壞。但有些集成運(yùn)放內(nèi)部設(shè)置了限流保護(hù)或短路保護(hù)，使用這些器件就不需再加輸岀保護(hù)。對(duì)于內(nèi)部沒(méi)有限流或短路保護(hù)的集成運(yùn)放，

11、可以采用圖326所示的輸岀保護(hù)電路。在圖326電路中，當(dāng)輸岀保護(hù)時(shí) 由電阻R起限流保護(hù)作用。圖集成運(yùn)放輸岀保護(hù)電路放大器輸入保護(hù)的利與弊當(dāng)今的許多高速運(yùn)算放大器都具有片上輸入保護(hù)。在大多數(shù)情況下，這種保護(hù)對(duì)用戶(hù)是透明的。但在某些應(yīng)用中，這種保護(hù)可能是電路的致命弱點(diǎn)。本文討論輸 入保護(hù)需求、實(shí)現(xiàn)及其潛在的缺點(diǎn)，本文還給出利用具有輸入保護(hù)功能放大器的 替代方案與電路方案。高速運(yùn)算放大器的輸入保護(hù)可以有多種形式，其中共模過(guò)壓保護(hù)、靜電放電 (ESD)保護(hù)、輸入差分對(duì)保護(hù)是一些常見(jiàn)的保護(hù)。共模過(guò)壓保護(hù)主要限制輸入電壓，使之符合放大器的安全工作電壓范圍。靜電放電保護(hù)二極管則使放大器避免靜 電、靜電感應(yīng)以

12、及其他靜電放電事件的影響。這些片上二極管都與放大器輸入、 輸出以及電源軌相連。這就起到保護(hù)放大器的作用，因?yàn)殪o電放電電流流經(jīng)電源 與旁路電容器，而不是通過(guò)敏感的有源電路。運(yùn)算放大器輸入電壓的突然變化可以使輸出差分對(duì)的偏置反向 ,導(dǎo)致延遲，增加輸入偏置電流，并增加偏移電壓。通過(guò)限制基射結(jié)電壓，可以保護(hù)差分輸入級(jí)免 受損害。在某些較高速的硅工藝中，基極-發(fā)射極擊穿電壓(BVEBO)可以低至2 3V。擊穿電壓與過(guò)程速度(process speed )成反比，過(guò)程越短，擊穿電壓 越低。為了可靠運(yùn)行，必須避免差分對(duì)基射結(jié)偏置的反向。作為電壓跟隨器配置時(shí)，放大器最容易受到輸入級(jí)損害。實(shí)際(非理想的)放大

13、器輸出不能對(duì)輸入端的變化瞬間做出反應(yīng) 。這就意味著差分對(duì)基射結(jié)可能受到具有潛在危害的反向偏置過(guò)壓條件的影響，原理見(jiàn)圖1。放大器的輸入與具有土 3V輸出電壓范圍的脈沖發(fā)生器相連。為了便于討論，假設(shè)脈沖發(fā)生器的上升時(shí)間與 下降時(shí)間都比放大器的傳播延遲小得多。當(dāng)脈沖發(fā)生器從-3V轉(zhuǎn)換為+3V時(shí)，放大器輸入非常迅速地改變，而輸出變化則不這么迅速，在晶體管Q2產(chǎn)生5.3V反向偏置。由于晶體管額定擊穿電壓為 23V，因此需要輸入保護(hù)。圖1放大器輸入電壓的迅速轉(zhuǎn)換這個(gè)保護(hù)非常簡(jiǎn)單，只要在放大器輸入端增加一對(duì)背對(duì)背二極管（D1與D2 ）即可（見(jiàn)圖2）。由于有了二極管D1與D2，Q1與Q2的電壓擺動(dòng)就局限在 0

14、.8V，遠(yuǎn)低于基極-發(fā)射極擊穿電壓。過(guò)程速度越低，擊穿電壓越高，因此為 了提高閾值電壓，可以增加更多的串聯(lián)二極管。例如，如果某個(gè)過(guò)程的擊穿電壓 是4V，利用3個(gè)串聯(lián)二極管可能使閾值降低為 2.1V。對(duì)于速度非常低的過(guò)程, 反向擊穿電壓將足夠高，從而可以省卻輸入保護(hù)。為什么不使用一串獨(dú)立的二極 管呢？輸入保護(hù)的一個(gè)缺點(diǎn)是二極管限制了輸入電壓 ，因此給轉(zhuǎn)換速率帶來(lái)不利 影響。高速工作時(shí)不希望這種特性存在。圖2背對(duì)背二級(jí)管通過(guò)限制電壓擺動(dòng)而保護(hù)晶體管 Q2在大多數(shù)情況下，輸入保護(hù)利大于弊。不過(guò)，在極少數(shù)情況下，輸入保護(hù)可能帶 來(lái)不希望見(jiàn)到的結(jié)果。例如，考慮一個(gè)斷電但有信號(hào)輸入的放大器。信號(hào)振幅在 數(shù)

15、百毫伏以?xún)?nèi)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但是如果信號(hào)振幅大于400mV，就可能遇到問(wèn)題。由于輸入信號(hào)較大，輸入保護(hù)二極管（D1與D2）將成為正向偏壓。輸入和輸 出之間通過(guò)到負(fù)載的反饋電阻器形成信號(hào)路徑，如圖3所示。信號(hào)大小取決于輸 入信號(hào)的振幅與頻率。圖3運(yùn)算放大器中的輸入保護(hù)二極管可能將輸入信號(hào)耦合到輸出端利用增益為+1的AD8021可以說(shuō)明這一原理。如同前面的介紹，在 AD8021 放大器輸入之間包含兩個(gè)內(nèi)置背對(duì)背二極管，測(cè)試電路如圖4所示。為了進(jìn)行測(cè) 試，在輸入端加入200mV pp(-10dBm)與2Vpp(+10dBm)信號(hào)。信號(hào)在300kHz100MHz之間變化。圖5給出截止隔離(off iso

16、lation)結(jié)果。在10MHz時(shí),200mV信號(hào)的截止隔離大約是-50dB。對(duì)于2-Vpp信號(hào)，保護(hù)二極管完全開(kāi)通。輸入信號(hào)的大部分被反饋至輸出，截止隔離度僅為-29dB。在要求高級(jí)別截止隔 離度的雷達(dá)探測(cè)等多路復(fù)用中，這將非常有害圖4截至隔離度測(cè)試電路為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)盡量選擇具有較高差分電壓額定值的放大器。遺憾的是， 放大器的選擇可能還會(huì)考慮其他諸多參數(shù)（但差分輸入保護(hù)不是其中的參數(shù)）。放 大器數(shù)據(jù)表中絕對(duì)最大額定值的選擇通常表明其最大差分輸入電壓 。如果性能指 標(biāo)小于土VS,則提供某些內(nèi)置輸入保護(hù)。電壓越低，電路表現(xiàn)出截止隔離的可能 就越大。對(duì)AD8038高速放大器反復(fù)進(jìn)行截止隔離度

17、測(cè)試，其差分電壓額定值為4V，是AD8021的5倍。輸入電壓額定值越大，意味著需要較大的信號(hào)使輸入保護(hù) 二極管正向偏置。從圖6可以看出，在10MHz工作時(shí)，對(duì)于放大器輸入端2-Vpp信號(hào)，AD8038的截至狀態(tài)隔離度為-57dB，比AD8021的截止隔離度高2 8dB。ADK1-r711 圖5 具有+ 10dBm 與 10dBm 輸入信號(hào)的AD8021 截至隔離度1JflgjJli：J亠4T4J*w +丄MpQn11I*圖6 + 10dBm 輸入信號(hào)時(shí)AD8021 與AD8038 的截至隔離度如果指定放大器具有較低的差分輸入電壓額定值，對(duì)不同配置下的應(yīng)用可能有所幫助。電壓跟隨器具有最高的饋串。一個(gè)較好的方案是在具有增益的非反相配置中使用放大器。反饋電阻器構(gòu)成具有負(fù)載的除法器，它對(duì)輸出端的饋串信號(hào)進(jìn)行 衰減。反饋?zhàn)柚翟礁撸p結(jié)果就越明顯。不過(guò)，不要將反饋電阻器增加得太多， 因?yàn)檫@可能增加噪聲與偏移電壓，而且在某些情況下，還可能降低穩(wěn)定性。圖7對(duì)輸入為2-Vpp、增益分別為+1與+2的AD8021放大器截至狀態(tài)隔離度進(jìn)行 了比較。從圖7中可以看出，增益為+2時(shí)，截至狀態(tài)隔離度比電壓跟蹤器配置 時(shí)高6dB。圖7增益為+ 1與+ 2時(shí)AD8021的截至隔離度更戲劇性的方法是在放大器輸