運(yùn)算放大器的保護(hù) 放大器輸入保護(hù)的利與弊

./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出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)算放大器的種類非常多,可適用于不同的場(chǎng)合。

集成運(yùn)算放大器的分類按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。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)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＞〔109~1012,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)。常見的運(yùn)放有LM318、A715等,其SR=50~70V/s,BWG＞20MHz。5．低功耗型運(yùn)算放大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±2V~±18V,消耗電流為50~250A。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10W,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)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,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,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V,A791集成運(yùn)放的輸出電流可達(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,其值越大,表明運(yùn)放的交流特性越好;Iib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。Iib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足要求;環(huán)境條件,集成運(yùn)放允許工作圍、工作電壓圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。

集成運(yùn)算放大器的使用要點(diǎn)1．集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(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)的要不同的?！?對(duì)稱雙電源供電方式運(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,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓?！?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,如圖所示。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。對(duì)于圖3.2.1交流放大器,靜態(tài)時(shí),運(yùn)算放大器的輸出電壓近似為VCC/2,為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。圖

運(yùn)算放大器單電源供電電路2．集成運(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(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)零方法有部調(diào)零和外部調(diào)零,而對(duì)于沒有部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零方法。下面以A741為例,圖給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2<a>所示的是部調(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)氖褂秒娐?。圖

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,防止通過電源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〔10F和一高頻濾波電容〔0.01F~0.1F。如圖所示。4．集成運(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)?！?電源保護(hù)。電源的常見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)電路見圖〔a、<b>所示。對(duì)于性能較差的電源,在電源接通和斷開瞬間,往往出現(xiàn)電壓過沖。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高或者輸入共模電壓過高〔超出該集成運(yùn)放的極限參數(shù)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。圖

集成運(yùn)放電源保護(hù)電路

圖3.2.5

集成運(yùn)放輸入保護(hù)電路〔3輸出保護(hù)。當(dāng)集成運(yùn)放過載或輸出端短路時(shí),若沒有保護(hù)電路,該運(yùn)放就會(huì)損壞。但有些集成運(yùn)放部設(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出保護(hù)。對(duì)于部沒有限流或短路保護(hù)的集成運(yùn)放,可以采用圖所示的輸出保護(hù)電路。在圖3.2.6電路中,當(dāng)輸出保護(hù)時(shí),由電阻R起限流保護(hù)作用。

β圖

集成運(yùn)放輸出保護(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)是一些常見的保護(hù)。共模過壓保護(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。擊穿電壓與過程速度〔processspeed成反比,過程越短,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壓條件的影響,原理見圖1。放大器的輸入與具有±3V輸出電壓圍的脈沖發(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2～3V,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

±0.8V,遠(yuǎn)低于基極-發(fā)射極擊穿電壓。過程速度越低,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,在極少數(shù)情況下,輸入保護(hù)可能帶來不希望見到的結(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)百毫伏以時(shí)不會(huì)出現(xiàn)問題,但是如果信號(hào)振幅大于400mV,就可能遇到問題。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)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200mVPP<-10dBm>與2VPP<+10dBm>信號(hào)。信號(hào)在300kHz～100MHz之間變化。圖5給出截止隔離<offisolation>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±VS,則提供某些置輸入保護(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28dB。圖5

具有＋10dBm與－10dBm輸入信號(hào)的AD8021截至隔離度圖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?衰減結(jié)果就越明顯。不過,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