电子发烧友网>模拟技术> > 正文

运算放大器通俗讲解 运放LM358进入钳位状态的原理与问题避免办法

2021年01月11日 16:46 次阅读
运算放大器是指一类专门通过改变外围器件可以实现不同算数运算的放大器。任何一颗运放都集成了非常多的晶体管,这些晶体管除了构成基本的工作电路,同时也会有实现输入输出电压钳位等保护功能。但是因为生产工艺的原因,在制造这些保证运放正常工作的晶体管的过程中,不可避免地会引入寄生晶体管和二极管。当运算放大器工作在规格书指定的工作范围内时,这些寄生晶体管不会对芯片的工作造成影响。然而,如果运放工作在超规格书的范围时,可能使得芯片的输出异常,进入输出钳位状态,从而影响电路的正常工作。本文以LM358为例,介绍其进入输出钳位状态的机理,同时提出避免芯片被钳位的解决办法。一、运算放大器进入钳位状态的原理(以LM358为例)虽然各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异,但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部分。1.差动输入级:以一差分放大器作为输入级,提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。2.增益级:运算放大器电压增益的主要来源,将输入信号放大转为单端输出后送往下一级。3.输出级:输出级的需求包括低输出阻抗、高驱动力、限流以及短路保护等功能。80706ef6-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png可以看到,所有电路的基本组成单元都是NPN管和PNP管,这些NPN和PNP管由连接到地的P基底隔开,如图2所示,这个基底将所有三极管隔离开。但是,如果LM358的输入端(PNP的base极)太低,低过P基底一个电压,那么这个偏置电压就会导致电流流经基底,而使得芯片无法正常工作。所以LM358的规格书会规定其输入电压的范围,比如最低不能超过-0.3V。8092d162-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png80b3ccf0-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png如图4所标注,PNP管的发射极,P基底和NPN管的集电极构成了一个寄生的NPN管,当运放的输入低于-0.3V时(比如-1V),寄生的NPN管的发射极比基极低-1V,这个电压足够使得寄生的NPN管导通,从而引起电流从集电极流向基极,这样,原本原本隔离开的两个晶体管之间就有了电气连接,同时与GND之间也有了电气连接,芯片将无法正常工作。80d6e406-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png图5用红点标出了LM358所有可能有漏电流的点,以①点为例,当其对地有漏电流时,芯片输出端的PNP管将导通,从而使得芯片输出被钳位到低电平。810059e4-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png不同地点的漏电流会导致不同的运放输出状态,有些可能使得芯片输出为高,有些可能使得芯片输出为低。对于同样的输入,比如IN-输入为-1V,其引起的可能有漏电流的地方也随着芯片layout的不同而不同,一般离得越近的晶体管之间更容易引起漏电流,对于同一系列的芯片,比如LM358和LM358B,由于其裸片的layout不同,对于同样的输入超规格书使用,输出的钳位状态也不同。二、钳位状态可能引起的问题及其避免方法在实际应用过程中,绝大多数工程师都会避免输入信号的电压超过规格书规定的范围,但是,由于上电顺序的影响,运放很容易出现被测量信号比电源信号早上电的情况,从而导致芯片超规格使用从而进入钳位状态。图6是一个常见的电压测量电路,LM358B由±5V供电,很容易可以推算出正常工作时Vout=VS1*(-R3/R1)=-250V*(-5.6/820)=1.71V。812eddaa-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png我们在实际电路中测量,发现实际运放的输出和芯片的上电顺序有关,如表1所示:816c4758-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png可以看到,当运放供电先于被测电压上电时运放的输出都是正常的,这是因为在整个过程中芯片的输入电压都没有超过电源电压,从而符合规格书的应用范围。当运放供电晚于被测-250V电压上电,当被测电压上电而运放未上电时,运放的负输入端会有一个低于-0.3V的负电压,根据第一章的分析,可能会导致运放的输出钳位到正电源电压或者负电源电压。对于LM358而言,其输出被钳位到正电源电压,当供电电源上电后,+5V电源会通过输出端将LM358的输入端拉回正电压,从而使得芯片的输出恢复正常。而对于LM358B而言,其输出被钳位到负电源电压,当供电电源上电后,-5V电源通过输出端将LM358B的输入端拉到更低的电压(实测为-5.68V),这个电压比负电源低0.68V,输出始终被钳位到负电源电压附近无法恢复正常。从上文分析可以看出,不同的钳位状态可能导致不同的输出,由于钳位状态和芯片的layout有关,我们无法预知一颗芯片的钳位状态,为了避免异常情况,针对输入电压可能先于电源电压上电的情况,我们可以:1.人为控制上电顺序,保证在整个过程中不会出现输入电压超规格的情况。2.在运放的输入端加对地钳位二极管,保证在任何上电顺序下运放的输入电压都不会超规格。为了验证方法2,我们在LM358和LM358B的输入对负电源加入反向钳位二极管后实测的结果如下:8197d6de-4603-11eb-8b86-12bb97331649.png三、结论1.运放的输入电压超过规格书可能导致运放内部寄生晶体管产生漏电流,从而导致芯片的输出钳位到正电源或者负电源。2.不同的钳位状态可能导致同一电路出现不同表现,有些可以正常工作而有些不能。3.运放的钳位状态和芯片裸片(DIE)的layout有关,即使是同一系列的运放也可能有不同的layout从而导致不同的钳位状态,因为芯片裸片的layout是不公开信息,我们无法预知运放的钳位状态。为了避免运放因为输入超规格导致工作异常,我们可以在输入端对正负电源加钳位二极管,避免运放输入超规格,从而保证电路的正常工作。作者:HowardZou来源:TI

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

《运放典型应用电路(一):滤波电路和信号发生电路》

相关课程推荐:8部全系列运放应用电路教程,带你吃透运放设计点击链接立即了解:http://t.elecfans.com/
发烧友学院发表于 2019-06-19 00:00 2348次阅读
《运放典型应用电路(一):滤波电路和信号发生电路》

高速LMH放大器LMH6723/4/5的性能特点...

National半导体公司推出三种新型高速LMH放大器LMH6723,LMH6724和LMH6725....
发表于 2021-01-11 10:42 44次阅读
高速LMH放大器LMH6723/4/5的性能特点...

运算放大器比较器电路特性分析教程

该运算放大器比较器比较与另一模拟电压电平一个模拟电压电平,或一些预先设定的基准电压,V REF,并且产生基于该电...
发表于 2021-01-11 09:52 73次阅读
运算放大器比较器电路特性分析教程

测量和消除混叠以实现更精确的电流检测

零漂移精密运算放大器:测量和消除混叠以实现更精确的电流检测...
发表于 2021-01-11 06:32 0次阅读
测量和消除混叠以实现更精确的电流检测

运算放大器多谐振荡器电路设计要点分析

运算放大器是一个非常通用的装置,其可以以各种不同的电子电路和应用中使用,从电压放大器,向过滤器,对信号调节器。...
发表于 2021-01-09 20:47 223次阅读
运算放大器多谐振荡器电路设计要点分析

【年度精选】2020年度top10榜单——电源技术经验

本榜单汇总了2020年阅读量最多的经验帖,都是深受各位电源爱好者喜欢的电源经验,相信你也能从中找到适合自己的知识,...
发表于 2021-01-08 15:45 285次阅读
【年度精选】2020年度top10榜单——电源技术经验

如何采用“系列优先”的方法进行运算放大器设计

采用“系列优先”的方法进行运算放大器设计...
发表于 2021-01-08 07:49 0次阅读
如何采用“系列优先”的方法进行运算放大器设计

运算放大器基础知识及配置介绍

在本实验中,我们将介绍一种有源――运算(op amp),其某些特性(高输入、低输出电阻和大差分增益)使它成为近乎理想的...
发表于 2021-01-08 06:52 0次阅读
运算放大器基础知识及配置介绍

运算放大器常见的指标及重要特性

这样的干货看的才舒心!运算放大器常见指标及重要特性...
发表于 2021-01-08 06:48 0次阅读
运算放大器常见的指标及重要特性

运算放大器介绍

什么是运算放大器?
发表于 2021-01-08 06:23 0次阅读
运算放大器介绍

语音芯片快速老化的三大原因

语音芯片的老化,除开时间的原因,也存在有另一些因素在影响着;岁月是无情的,岁月峥嵘,质量问题的存在也....
发表于 2021-01-07 16:48 127次阅读
语音芯片快速老化的三大原因

同相运算放大器配置

在之前的反相放大器教程中,我们说过,对于理想的运算放大器,“没有电流流入放大器的输入端子”,而“ V....
发表于 2021-01-07 15:09 163次阅读
同相运算放大器配置

电压跟随器运算放大器电路设计要点介绍

我们已经看到,可以将电阻器连接到基本运算放大器,以产生各种反相和同相输出及配置以及它们各自的增益。 因此,为了...
发表于 2021-01-07 09:38 160次阅读
电压跟随器运算放大器电路设计要点介绍

TS321和TS391的工作原理及电路应用分析

从1963年Robert J.(Bob) Widlar设计出第一片公认的单片集成运算放大器μA702....
发表于 2021-01-07 09:32 102次阅读
TS321和TS391的工作原理及电路应用分析

通用运算放大器不能用在哪些用途

通用运算放大器并不能用于所有用途:精密的准确性和成本效益...
发表于 2021-01-07 07:18 0次阅读
通用运算放大器不能用在哪些用途

意法半导体的TSV7925V双运算放大器

TSV792的输入电压噪声极低,在10kHz时的典型值仅为6.5nV/√Hz,可用于电机控制应用和电....
发表于 2021-01-06 15:52 328次阅读
意法半导体的TSV7925V双运算放大器

运放十坑之轨到轨

设计了一个分压电路,理论上输入1V,输出2V,可是一测,总是多了近6,7百个mV。这要是进12位3V....
发表于 2021-01-06 11:10 156次阅读
运放十坑之轨到轨

集成滤波器MAX275的结构特点及实现超声检测系...

超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性(声速、衰减、反射、声阻抗等)来实现对非声学量(如密度、浓....
发表于 2021-01-06 09:57 438次阅读
集成滤波器MAX275的结构特点及实现超声检测系...

高速低失真差分放大器LMH6550/1的性能特点...

National半导体公司推出的高速低失真差分放大器LMH6550和LMH6551以及两种高速低功耗....
发表于 2021-01-04 09:59 131次阅读
高速低失真差分放大器LMH6550/1的性能特点...

基于四运算放大器LM324实现信号发生器的应用方...

波形产生和变换的方案很多,这里采用图1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC桥氏振荡电路产....
发表于 2021-01-04 07:24 180次阅读
基于四运算放大器LM324实现信号发生器的应用方...

一文详解运算放大器

运算放大器是一种可以进行数学运算的放大电路。运算放大器不仅可以通过增大或减小模拟输入信号来实 现放大....
发表于 2021-01-01 18:10 337次阅读
一文详解运算放大器

轨到轨输出CMOS运算放大器LM6211的性能特...

National半导体公司推出的轨到轨输出CMOS运算放大器LM6211,它的工作范围高达24V,满....
发表于 2020-12-30 10:05 133次阅读
轨到轨输出CMOS运算放大器LM6211的性能特...

低功耗低电压精密运算放大器AD8500的性能特点...

ADI公司推出的低功耗低电压精密运算放大器(OPAMP)AD8500,最适合满足手提的以电池为能量的....
发表于 2020-12-30 10:01 162次阅读
低功耗低电压精密运算放大器AD8500的性能特点...

高速运算放大器ADA4899-1的特点性能及功能...

ADI公司推出的业界首个用于高分辨率数据采集系统的高速运算放大器ADA4899-1,它能最小化两种基....
发表于 2020-12-29 07:58 154次阅读
高速运算放大器ADA4899-1的特点性能及功能...

应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能...

隔离运放在电机驱动中的应用 电机驱动器是用来控制各种电机,比如AC变频器,伺服电机的一种控制器。一般....
发表于 2020-12-25 13:40 247次阅读
应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能...

基于NJM4580运算放大器实现电磁超声换能器级...

在无损检测中,EMAT因其独有的优点被广泛应用,但经EMAT接受线圈接受到的信号通常很微弱,信号幅值....
发表于 2020-12-24 10:54 363次阅读
基于NJM4580运算放大器实现电磁超声换能器级...

差分放大器LT6402和LT6411的功能特点及...

Linear推出两种新的差分放大器 LT6402 和 LT6411,这两种器件适合用作高速 ADC ....
发表于 2020-12-24 09:34 83次阅读
差分放大器LT6402和LT6411的功能特点及...

意法半导体TSV792 5V双运算放大器 适用于...

意法半导体的TSV792 5V双运算放大器(op amp)具有50MHz的增益带宽积和低输入失调电压....
发表于 2020-12-21 16:28 260次阅读
意法半导体TSV792 5V双运算放大器 适用于...

运放放大器的十个关键点详细说明

运放输出电压到不了电源轨的这种明坑踩了后,我选择了轨到轨的运放,哈哈,这样运放终于可以输出到电源轨了....
发表于 2020-12-20 10:13 689次阅读
运放放大器的十个关键点详细说明

采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算...

根据需要,本文设计运算放大器需要在较低的电压下能有大的转换速率、快的建立时间,同时要折衷考虑增益与频....
发表于 2020-12-18 12:10 315次阅读
采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算...

200V单芯片驱动器LME49810的技术特点及...

NS推出的200V功率放大器输出级驱动器系列的另一新型号。这款型号为LME49810的200V单芯片....
发表于 2020-12-18 09:09 288次阅读
200V单芯片驱动器LME49810的技术特点及...

高精度单电源运算放大器OPA376的特点及适用范...

OPA376在微小型封装中实现了最大25uA 的低偏移电压与5.5MHz高带宽的完美组合。
发表于 2020-12-18 07:03 131次阅读
高精度单电源运算放大器OPA376的特点及适用范...

“2020硬核中国芯”活动中灵动微电子获选202...

由芯师爷主办、深福保集团冠名的“2020硬核中国芯”活动中,灵动微电子获选2020年度国产MCU评选....
发表于 2020-12-16 16:35 401次阅读
“2020硬核中国芯”活动中灵动微电子获选202...

零漂移运算放大器LMP2021/2的主要特性及应...

NS推出的两款零漂移运算放大器,不但具有业界最低的输入电压噪声(以1000V/V倍增益操作时,输入噪....
发表于 2020-12-11 09:50 122次阅读
零漂移运算放大器LMP2021/2的主要特性及应...

低噪声RRO运算放大器TL97x的主要功能和特性...

TL97x 运算放大器系列产品的工作电压可低至 ±1.35V,其具有轨至轨输出信号摆幅,分为单路、双....
发表于 2020-12-11 08:02 162次阅读
低噪声RRO运算放大器TL97x的主要功能和特性...

900MHz带宽全差分放大器LMH6553的功能...

NS推出的内置可编程输出限制钳位电路的900MHz带宽全差分放大器。该产品可为模拟/数字转换器及其他....
发表于 2020-12-04 09:49 162次阅读
900MHz带宽全差分放大器LMH6553的功能...

低噪声高速差分放大器ADA4927的性能特点及应...

ADI推出一款高速差分放大器--ADA4927,为工程师提供了高性能、低噪声和低功耗的业界最佳组合,....
发表于 2020-12-04 09:25 105次阅读
低噪声高速差分放大器ADA4927的性能特点及应...

润石科技:营收过亿环比增长数倍!矢志成为全球一流...

成立于2014年8月的润石科技是一家集研产销为一体的芯片设计公司。作为专注模拟芯片行业一支实力不可小....
发表于 2020-12-03 16:52 569次阅读
润石科技:营收过亿环比增长数倍!矢志成为全球一流...

运算放大器的偏置电压设置技巧分享

一、运算放大器的偏置设置在双电源运放在接成单电源电路时,工程师在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择....
发表于 2020-12-03 11:02 653次阅读
运算放大器的偏置电压设置技巧分享

低噪声CMOS双运算放大器NJU7029的功能特...

New Japan Radio公司推出的低噪声CMOS双运算放大器NJU7029。该器件具轨到轨输出....
发表于 2020-11-29 11:44 220次阅读
低噪声CMOS双运算放大器NJU7029的功能特...