运算放大器的保护放大器输入保护的利与弊.docx
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运算放大器的保护放大器输入保护的利与弊
目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。
在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。
集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。
3.2.1 集成运算放大器的分类
按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。
1．通用型运算放大器
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。
这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。
例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。
它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
2．高阻型运算放大器
这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞（109~1012）,IIB为几皮安到几十皮安。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。
用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。
常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
3．低温漂型运算放大器
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。
低温漂型运算放大器就是为此而设计的。
目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
4．高速型运算放大器
在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。
高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。
常见的运放有LM318、A715等,其SR=50~70V/s,BWG＞20MHz。
5．低功耗型运算放大器
由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。
常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250A。
目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为,功耗为10W,可采用单节电池供电。
6．高压大功率型运算放大器
运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。
在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。
若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。
高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。
例如D41集成运放的电源电压可达±150V,A791集成运放的输出电流可达1A。
3.2.2 正确选择集成运算放大器
集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。
在由运算放大器组成的各种系统中,由于应用要求不一样,对运算放大器的性能要求也不一样。
在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样即可降低成本,又容易保证货源。
当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。
评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能。
一般用优值系数K来衡量集成运放的优良程度,其定义为：
式中,SR为转换率,单位为V/s,其值越大,表明运放的交流特性越好;Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA;VOS为输入失调电压,单位是mV。
Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。
所以,对于放大音频、视频等交流信号的电路,选SR（转换速率）大的运放比较合适;对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较的高的运放比较合适（既失调电流、失调电压及温飘均比较小）。
实际选择集成运放时,除优值系数要考虑之外,还应考虑其他因素。
例如信号源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。
3.2.3 集成运算放大器的使用要点
1．集成运放的电源供给方式
集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。
对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。
（1）对称双电源供电方式
运算放大器多采用这种方式供电。
相对于公共端（地）的正电源（+E）与负电源（-E）分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。
在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。
（2）单电源供电方式
单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。
此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位,如图3.2.1所示。
此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。
对于图交流放大器,静态时,运算放大器的输出电压近似为VCC/2,为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。
图3.2.1 运算放大器单电源供电电路
2．集成运放的调零问题
由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。
为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。
常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。
下面以A741为例,图3.2.2给出了常用调零电路。
图所示的是内部调零电路;图（b）是外部调零电路。
3．集成运放的自激振荡问题
运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。
为使放大器能稳定的工作,就需外加一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。
图3.2.3是相位补偿的使用电路。
图3.2.2 运算放大器的常用调零电路 图 运算放大器的自激消除
另外,防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（10F）和一高频滤波电容（F~F）。
如图3.2.3所示。
4．集成运放的保护问题
集成运放的安全保护有三个方面：
电源保护、输入保护和输出保护。
（1）电源保护。
电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变。
电源反接保护和电源电压突变保护电路见图3.2.4（a）、（b）所示。
对于性能较差的电源,在电源接通和断开瞬间,往往出现电压过冲。
图（b）中采用FET电流源和稳压管钳位保护,稳压管的稳压值大于集成运放的正常工作电压而小于集成运放的最大允许工作电压。
FET管的电流应大于集成运放的正常工作电流。
（2）输入保护。
集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高（超出该集成运放的极限参数范围）,集成运放也会损坏。
图3.2.5所示是典型的输入保护电路。
图3.2.4 集成运放电源保护电路 图 集成运放输入保护电路
（3）输出保护。
当集成运放过载或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。
但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护,使用这些器件就不需再加输出保护。
对于内部没有限流或短路保护的集成运放,可以采用图3.2.6所示的输出保护电路。
在图电路中,当输出保护时,由电阻R起限流保护作用。
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图3.2.6 集成运放输出保护电路
放大器输入保护的利与弊
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可以有多种形式，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则使放大器避免静电、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,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。
在某些较高速的硅工艺中，基极-发射极击穿电压（BVEBO）可以低至2～3V。
击穿电压与过程速度（processspeed）成反比，过程越短，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反应。
这就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，原理见图1。
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-3V转换为+3V时，放大器输入非常迅速地改变，而输出变化则不这么迅速，在晶体管Q2产生反向偏置。
由于晶体管额定击穿电压为2～3V，因此需要输入保护。
图1 放大器输入电压的迅速转换
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（见图2）。
由于有了二极管D1与D2，Q1与Q2的电压摆动就局限在 ±，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4V，利用3个串联二极管可能使阈值降低为。
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，因此给转换速率带来不利影响。
高速工作时不希望这种特性存在。
图2 背对背二级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见到的结果。
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400mV，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。
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 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，测试电路如图4所示。
为了进行测试，在输入端加入200mVPP（-10dBm）与2VPP（+10dBm）信号。
信号在300kHz～100MHz之间变化。
图5给出截止隔离（offisolation）结果。
在10MHz时，200mV信号的截止隔离大约是-50dB。
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，截止隔离度仅为-29dB。
在要求高级别截止隔离度的雷达探测等多路复用中，这将非常有害。
图4 截至隔离度测试电路
为了解决这一问题，应尽量选择具有较高差分电压额定值的放大器。
遗憾的是，放大器的选择可能还会考虑其他诸多参数（但差分输入保护不是其中的参数）。
放大器数据表中绝对最大额定值的选择通常表明其最大差分输入电压。
如果性能指标小于±VS，则提供某些内置输入保护。
电压越低，电路表现出截止隔离的可能就越大。
对AD8038高速放大器反复进行截止隔离度测试，其差分电压额定值为 ±4V，是AD8021的5倍。
输入电压额定值越大，意味着需要较大的信号使输入保护二极管正向偏置。
从图6可以看出，在10MHz工作时，对于放大器输入端2-Vpp信号，AD8038的截至状态隔离度为-57dB，比AD8021的截止隔离度高28dB。
图5 具有＋10dBm与－10dBm输入信号的AD8021截至隔离度
图6 ＋10dBm输入信号时AD8021与AD8038的截至隔离度
如果指定放大器具有较低的差分输入电压额定值，对不同配置下的应用可能有所帮助。
电压跟随器具有最高的馈串。
一个较好的方案是在具有增益的非反相配置中使用放大器。
反馈电阻器构成具有负载的除法器，它对输出端的馈串信号进行衰减。
反馈阻值越高，衰减结果就越明显。
不过，不要将反馈电阻器增加得太多，因为这可能增加噪声与偏移电压，而且在某些情况下，还可能降低稳定性。
图7对输入为2-Vpp、增益分别为+1与+2的AD8021放大器截至状态隔离度进行了比较。
从图7中可以看出，增益为+2时，截至状态隔离度比电压跟踪器配置时高6dB。
图7 增益为＋1与＋2时AD8021的截至隔离度
更戏剧性的方法是在放大器输出端使用模拟开关，如ADG701。
ADG701能够完全隔离放大器输出与负载，确保10MHz时截止隔离度大约在-55dB，相当于200mVpp输入信号时AD8021的截止隔离。
当设计需要具有关键交流参数、但不具有足够的差分输入电压额定值的放大器时，增加开关是一个不错的选择。
在大多数情况下，包含内置输入保护的放大器没有使用问题。
然而，在少数情况下，输入保护可能带来问题。
如果出现这种情况，首先检查最大差分输入电压指标。
如果其值较低，考虑利用具有较高最大差分输入电压额定值的放大器、改变电路拓扑结构或者增加开关。
这些方案都可以降低馈串量，并提高截止隔离。
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