运算放大器的输入过压保护和输出相位反转

　　运算放大器输出电压相位反转

　　超过输入共模电压(CM)范围时，某些运算放大器会发生输出电压相位反转问题。其原因通常是运算放大器的一个内部级不再具有足够的偏置电压而关闭，导致输出电压摆动到相反电源轨，直到输入重新回到共模范围内为止。图1所示为电压跟随器的输出相位反转情况。注意，输入可能仍然在电源电压轨内，只不过高于或低于规定的共模限值之一。这通常发生在负范围，最常发生相位反转的是JFET和/或BiFET放大器，但某些双极性单电源放大器也有可能发生。

　　

 

　　图1:电压跟随器的输出电压相位反转

　　相位反转通常只是暂时现象，但如果运算放大器在伺服环路内，相位反转可能会引起灾难性后果。

　　运算放大器配置为单位增益电压跟随器时，最有可能发生相位反转。在反相模式下，相位反转不是问题，因为两个输入均恒定不变，并且处于地电位(某些单电源应用中则处于中间电源电压)。

　　大多数现代运算放大器都会使用电路设计技术来防止相位反转。如果运算放大器能够避免相位反转，其数据手册的"主要特性"部分一般会说明这一点，但"技术规格"部分不一定会说明。

　　对于"轨到轨"输入运算放大器，输入共模电压包括电源轨，因此，只要输入电压不超过电源轨，运算放大器就不应发生相位反转。

　　图2显示了AD8625(四通道)、AD8626(双通道)和AD8627(单通道)运算放大器系列的"主要特性"和绝对最大值规格。这些放大器具有JFET输入，采用+5 V单电源供电时，输入共模电压范围为0 V至+3 V(最大值)。"无相位反转"特性意味着：在+3 V至+5 V的共模区间，输出不会发生相位反转。

　　

 

　　图2:AD8625/AD8626/AD8627运算放大器的"主要特性"和绝对最大值规格

　　某些运算放大器可能仅在输入超过电源轨时出现输出电压相位反转现象。然而，这种情况违反了输入电压的绝对最大值要求，应当避免。如果输入过压情况可能发生，则应增加适当的保护电路。多数情况下，这种保护电路也能起到防止输出电压相位反转的作用，如下文所述。

　　输入过压保护和输出相位反转保护电路

　　绝对最大额定值是IC运算放大器的电压、电流和温度限值，一旦超出该值，运算放大器就会受损。通常对输入引脚施加过大的电压会破坏或损毁运算放大器。过压状况可以分为两类：过压和静电放电(ESD)。

　　ESD电压通常高达数千伏。大多数人都有被静电电击的体验。在尼龙地毯上拖着脚走，特别是在干燥环境下，并触摸金属门把手，就有可能被电到，火花从指尖飞出。CMOS电路特别容易因ESD损坏，双极性电路同样可能受损。多数运算放大器的输入引脚内置ESD保护二极管，以便能够在PC板装配阶段处理IC.为使电容和泄漏最小，这些二极管一般很小，不是用来应付数mA以上的持续输入电流。

　　只要运算放大器的输入共模电压超出其电源范围，即使电源已关闭，运算放大器也可能受损，.因此，几乎所有运算放大器的绝对最大输入额定值都将最大输入电压限制在如下电平：正负电源电压加上大约0.3 V(即+VS + 0.3 V或–VS – 0.3 V)。即使规定绝对最大输入电压等于电源电压(如图2所示的情况)，这一经验法则也仍然适用。

　　虽然可能存在一些例外，但务必注意：当发生超出电源轨0.3 V以上的过压状况时，多数IC运算放大器需要输入保护。

　　导致故障的原因并非过压本身，而是过压引起的电流会流入输入引脚。如果输入电流不超过5 mA(经验法则)，则不会造成严重破坏。然而，如果输入持续处于过应力状况，偏置电流和失调电压等参数可能会发生变化。因此，过压虽然不一定会损毁运算放大器，但应极力避免。

　　过压保护措施一般包括在输入引脚与电源之间放置外部二极管，以及增加限流电阻(参见图3)。

　　二极管通常是肖特基二极管，因为其正向电压较低(通常为300 mV,硅二极管则为700 mV)。

　　应用这些保护器件时必须谨慎。某些二极管可能有严重泄漏，额外的漏电流最终会变成运算放大器的偏置电流。某些二极管可能还有相当大的电容，这可能会限制频率响应，对高速放大器的影响尤为严重。此外，外加限流电阻RLIMIT会增加噪声。

　　

 

　　图3:使用肖特基箝位二极管和限流电阻的通用运放过压保护网络

　　除非数据手册另有说明，运算放大器的输入故障电流应等于或小于5 mA以免受损。这是一个保守的经验法则，基于典型运放输入的金属走线宽度。更高的电流会引起"金属迁移",这是一种累积效应，如果持续发生的话，最终会导致走线开路。如果存在迁移现象，故障可能需要经过很长时间发生多次过压才会显现，这种故障非常难以发现。因此，即使一个放大器似乎能够短时间承受远高于5 mA的过压电流，也必须将最大电流限制在5 mA(或以下)，以确保长期可靠性。

　　某些运算放大器，如OP27等，内置保护二极管，但仍然需要限流。如果运算放大器具有保护二极管，它通常会规定最大差分输入电流。原理示意图上也应显示该保护电路。

　　某些运算放大器的输入还具有背靠背二极管，这不是用于输入过压保护，而是限制差分电压。如果存在这种二极管，差分输入电压将有±700 mV的绝对最大额定值。

　　图3所示电路是一个通用运算放大器共模保护电路。只要元件选择得当，大量运算放大器的输入都能获得有效保护。注意：运算放大器可能还有连接到电源的内部保护二极管(如图所示)，当正向电压超出或低于相应电源轨大约0.6 V时，该二极管就会导通。但在这种情况下，外部肖特基二极管与内部二极管并联，因而内部单元永远不会达到其阈值。将故障电流转移到外部可以消除潜在的应力，从而保护运算放大器。

　　外部二极管还能带来其它好处，有些可能不太明显。例如，如果允许故障电流流入运算放大器，则必须选择适当的RLIMIT,使得在最差情况的VIN下，最大电流不超过5 mA.这一要求可能导致RLIMIT值相当大，相关的噪声和失调电压增加可能是设计无法接受的。举例来说，为了预防100 V的VIN,根据5 mA要求，RLIMIT必须大于或等于20 k.然而，如果有外部肖特基箝位二极管，则RLIMIT可以由最大容许的D1-D2电流决定，它可以大于5 mA.不过这里应小心，对于非常高的电流，肖特基二极管压降可能超过0.6 V,从而激活内部运放二极管。

　　为使失调电压和噪声误差最小，必须使RLIMIT的值尽可能低。RLIMIT与运算放大器输入端串联，产生一个与偏置电流成比例的压降。如果不校正，此电压将表现为电路失调电压增加。因此，对于偏置电流中等且大致相等的运算放大器(大部分是双极性类型)，补偿电阻RFB用于平衡直流失调，使该误差最小。对于低偏置电流运算放大器(Ib ≤10 nA或FET型)，有可能不需要RFB.为使RFB相关噪声最小，应利用一个电容CF将其旁路。