放大器输入保护...福兮祸兮?

　　当今的许多高速运算放大器都具有片上输入保护。在大多数情况下，这种保护对用户是透明的；但在某些应用中，这种保护可能是电路的致命弱点。本文讨论输入保护需求、实现及其潜在的缺点。本文还给出利用具有输入保护功能放大器的替代方案与电路方案。

　　高速运算放大器的输入保护有多种形式，其中共模过压保护、静电放电 （ESD）保护、输入差分对保护是一些常见的保护。共模过压保护主要限制输入电压，使之符合放大器的安全工作电压范围；静电放电保护二极管是放大器避免静电、静电感应以及其他静电放电事件的影响。这些片上二极管都与放大器输入、输出以及电源轨相连，这就起到保护放大器的作用，因为静电放电电流流经电源与旁路电容器，而不是通过敏感的有源电路。

　　运算放大器输入电压的突然变化可以使输出差分对的偏置反向， 带来潜在的缺陷导致延迟，增加输入偏置电流，并增加偏移电压。通过限制基射结电压，可以保护差分输入级免受损害。在某些较高速的硅过程中，基极-发射极击穿电压（BVEBO）可以低至2～3 V。击穿电压与过程速度（process speed）成反比，因此，过程越快，击穿电压越低。为了可靠运行，必须避免差分对基射结偏置的反向。

　　作为电压跟随器配置时，放大器最容易受到输入级损害。实际（非理想的）放大器输出不能对输入端的变化瞬间做出相应。输出不能跟踪输入意味着差分对基射结可能受到具有潜在危害的反向偏置过压条件的影响。图1给出这个原理。放大器的输入与具有±3V输出电压范围的脉冲发生器相连。为了便于讨论，假设脉冲发生器的上升时间与下降时间都比放大器的传播延迟小得多。当脉冲发生器从–3 V转换为+3 V时，放大器输入非常迅速改变，而输出变化则不这么迅速，在晶体管Q2产生5.3 V 反向偏置。由于晶体管额定击穿电压为2～3 V，因此需要输入保护。

　　

　　图1. 放大器输入电压的迅速转换将给晶体管Q2带来具有潜在危害的反向偏置

　　这个保护非常简单，只要在放大器输入端增加一对背对背二极管（D1与D2）即可，如图2所示。由于有了二极管D1与D2，Q1与Q2的电压摆动就局限在±0.8V，远低于基极-发射极击穿电压。过程速度越低，击穿电压越高，因此为了提高阈值电压，可以增加更多的串联二极管。例如，如果某个过程的击穿电压是4 V，利用3个串联二极管可能使阈值降低为2.1 V。对于速度非常低的过程，反向击穿电压将足够高，从而可以省却输入保护。为什么不使用一串独立的二极管呢？输入保护的一个缺点是二极管限制了输入电压，因此影响给转换速率带来不利影响。高速工作时不希望这种特性。

　　

　　图2. 背对背二极管通过限制电压摆动而保护晶体管Q2

　　在大多数情况下，输入保护利大于弊。不过，在极少数情况下，输入保护可能带来不希望的结果。例如，考虑一个断电但有信号输入的放大器。信号振幅在数百毫伏以内时不会出现问题，但是如果信号振幅大于400 mV，就可能遇到问题。由于输入信号较大，输入保护二极管（D1与D2）将成为正向偏压的。输入和输出之间通过到负载的反馈电阻器形成信号路径，如图3所示。信号大小取决于输入信号的振幅与频率。

　　

　　图3. 断电时运算放大器中的输入保护二极管可能将输入信号耦合到输出端

　　利用增益为+1的AD8021可以说明这一原理。如同前面的介绍，在AD8021放大器输入之间包含两个内置背对背二极管。图4给出测试电路。为了进行测试，在输入端加入200 mVpp（–10 dBm）与2 Vpp （+10 dBm）信号。信号从300 kHz到100 MHz之间变化。图5给出截止状态隔离度（off isolation）结果。在10 MHz时，200 mV信号的截止状态隔离度大约是–50 dB。对于2-Vpp信号，保护二极管完全开通。输入信号的大部分被反馈至输出，截止状态隔离度仅为–29 dB。在要求高级别截止状态隔离度的雷达探测等多路复用中，这将非常有害。

　　

　　图4. 截止状态隔离度测试电路

　　

　　图5. 具有+10 dBm与-10 dBm输入信号的AD8021截止状态隔离度