放大器输入保护...福兮祸兮? 【转】

2014-10-9 18:20:32 1942

本帖最后由 gk320830 于 2015-3-4 18:44 编辑

放大器输入保护是福是祸? 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。来自ADI高速线性部门高级应用工程师John Ardizzoni在本文中为您分析输入保护的需求、实现及其潜在的缺点，并给出一些利用具有输入保护功能放大器的替代方案与电路方案。如果现在您还不能确定在您的设计中放大器输入到底是福是祸，那这篇文章一定不能错过哦！

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。

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

图2. 背对背二极管通过限制电压摆动而保护晶体管Q2

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

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

为了解决这一问题，首先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，电路表现出截止状态隔离度的可能就越大。表1给出所选放大器的差分电压额定值。

表1 所选高速运算放大器的最大差分电压额定值

型号	最大差分电压（ V ）
AD8021	±0.8
AD8007	±1
ADA4899,AD8010, AD8036,AD8037	±1.2
AD8027,AD8029,AD8099	±1.8
AD8055,AD8014,AD8051	±2.5
AD8023,AD8024	±3
AD8031,AD8041	±3.4
AD8005	±3.5
AD8057,AD8038,AD8000	±4
AD826	±6
AD845,AD8061,AD8003, AD8045,ADA4860	±Vs

对AD8038高速放大器反复进行截至状态隔离度测试，其差分电压额定值为±4 V，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10 MHz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–57 dB，比AD8021的截至状态隔离度高28dB。

图6. +10 dBm输入信号时AD8021与AD8038的截止状态隔离度

图7. 增益为+1与+2时AD8021的截止状态隔离度

更戏剧性的方法是在放大器输出端采用模拟开关，如ADG701。ADG701能够完全隔离放大器输出与负载，确保10 MHz时截止状态隔离度大约在–55 dB，相当于200 mVpp输入信号时AD8021的截止状态隔离度。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，输入保护可能确实带来问题。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，并提高截止状态隔离度。