運(yùn)放輸出鉗位機(jī)理及避免辦法匯總

Other Parts Discussed in Post:LM358, LM358B

作者：Howard Zou

運(yùn)算放大器是指一類專門通過改變外圍器件可以實(shí)現(xiàn)不同算數(shù)運(yùn)算的放大器。任何一顆運(yùn)放都集成了非常多的晶體管，這些晶體管除了構(gòu)成基本的工作電路，同時(shí)也會(huì)有實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓鉗位等保護(hù)功能。但是因?yàn)樯a(chǎn)工藝的原因，在制造這些保證運(yùn)放正常工作的晶體管的過程中，不可避免地會(huì)引入寄生晶體管和二極管。當(dāng)運(yùn)算放大器工作在規(guī)格書指定的工作范圍內(nèi)時(shí)，這些寄生晶體管不會(huì)對(duì)芯片的工作造成影響。然而，如果運(yùn)放工作在超規(guī)格書的范圍時(shí)，可能使得芯片的輸出異常，進(jìn)入輸出鉗位狀態(tài)，從而影響電路的正常工作。本文以LM358為例，介紹其進(jìn)入輸出鉗位狀態(tài)的機(jī)理，同時(shí)提出避免芯片被鉗位的解決辦法。

一、運(yùn)算放大器進(jìn)入鉗位狀態(tài)的原理（以LM358為例）

雖然各家廠商推出的運(yùn)算放大器性能與規(guī)格互有差異，但是一般而言標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器都包含下列三個(gè)部分。

1.差動(dòng)輸入級(jí)：以一差分放大器作為輸入級(jí)，提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。

2.增益級(jí)：運(yùn)算放大器電壓增益的主要來源，將輸入信號(hào)放大轉(zhuǎn)為單端輸出后送往下一級(jí)。

3.輸出級(jí)：輸出級(jí)的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動(dòng)力、限流以及短路保護(hù)等功能。

圖1. LM358內(nèi)部架構(gòu)圖

可以看到，所有電路的基本組成單元都是NPN管和PNP管，這些NPN和PNP管由連接到地的P基底隔開，如圖2所示，這個(gè)基底將所有三極管隔離開。但是，如果LM358的輸入端（PNP的base極）太低，低過P基底一個(gè)電壓，那么這個(gè)偏置電壓就會(huì)導(dǎo)致電流流經(jīng)基底，而使得芯片無法正常工作。所以LM358的規(guī)格書會(huì)規(guī)定其輸入電壓的范圍，比如最低不能超過-0.3V。

圖2. 運(yùn)放NPN和PNP管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. LM358的最大電壓范圍

如圖4所標(biāo)注，PNP管的發(fā)射極，P基底和NPN管的集電極構(gòu)成了一個(gè)寄生的NPN管，當(dāng)運(yùn)放的輸入低于-0.3V時(shí)（比如-1V），寄生的NPN管的發(fā)射極比基極低-1V，這個(gè)電壓足夠使得寄生的NPN管導(dǎo)通，從而引起電流從集電極流向基極，這樣，原本原本隔離開的兩個(gè)晶體管之間就有了電氣連接，同時(shí)與GND之間也有了電氣連接，芯片將無法正常工作。

圖4. 運(yùn)放NPN和PNP管和基底構(gòu)成寄生NPN管

圖5用紅點(diǎn)標(biāo)出了LM358所有可能有漏電流的點(diǎn)，以①點(diǎn)為例，當(dāng)其對(duì)地有漏電流時(shí)，芯片輸出端的PNP管將導(dǎo)通，從而使得芯片輸出被鉗位到低電平。

圖5. LM358可能有漏電流的點(diǎn)

不同地點(diǎn)的漏電流會(huì)導(dǎo)致不同的運(yùn)放輸出狀態(tài)，有些可能使得芯片輸出為高，有些可能使得芯片輸出為低。對(duì)于同樣的輸入，比如IN-輸入為-1V，其引起的可能有漏電流的地方也隨著芯片layout的不同而不同，一般離得越近的晶體管之間更容易引起漏電流，對(duì)于同一系列的芯片，比如LM358和LM358B，由于其裸片的layout不同，對(duì)于同樣的輸入超規(guī)格書使用，輸出的鉗位狀態(tài)也不同。

二、鉗位狀態(tài)可能引起的問題及其避免方法

在實(shí)際應(yīng)用過程中，絕大多數(shù)工程師都會(huì)避免輸入信號(hào)的電壓超過規(guī)格書規(guī)定的范圍，但是，由于上電順序的影響，運(yùn)放很容易出現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)比電源信號(hào)早上電的情況，從而導(dǎo)致芯片超規(guī)格使用從而進(jìn)入鉗位狀態(tài)。

圖6是一個(gè)常見的電壓測(cè)量電路，LM358B由±5V供電，很容易可以推算出正常工作時(shí)Vout=VS1*(-R3/R1)=-250V*(-5.6/820)=1.71V。

圖6. 電壓檢測(cè)電路

我們?cè)趯?shí)際電路中測(cè)量，發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)放的輸出和芯片的上電順序有關(guān)，如表1所示：

表1. LM358和LM358B輸出實(shí)測(cè)值

可以看到，當(dāng)運(yùn)放供電先于被測(cè)電壓上電時(shí)運(yùn)放的輸出都是正常的，這是因?yàn)樵谡麄€(gè)過程中芯片的輸入電壓都沒有超過電源電壓，從而符合規(guī)格書的應(yīng)用范圍。當(dāng)運(yùn)放供電晚于被測(cè)-250V電壓上電，當(dāng)被測(cè)電壓上電而運(yùn)放未上電時(shí)，運(yùn)放的負(fù)輸入端會(huì)有一個(gè)低于-0.3V的負(fù)電壓，根據(jù)第一章的分析，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放的輸出鉗位到正電源電壓或者負(fù)電源電壓。對(duì)于LM358而言，其輸出被鉗位到正電源電壓，當(dāng)供電電源上電后，+5V電源會(huì)通過輸出端將LM358的輸入端拉回正電壓，從而使得芯片的輸出恢復(fù)正常。而對(duì)于LM358B而言，其輸出被鉗位到負(fù)電源電壓，當(dāng)供電電源上電后，-5V電源通過輸出端將LM358B的輸入端拉到更低的電壓（實(shí)測(cè)為-5.68V），這個(gè)電壓比負(fù)電源低0.68V，輸出始終被鉗位到負(fù)電源電壓附近無法恢復(fù)正常。

從上文分析可以看出，不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致不同的輸出，由于鉗位狀態(tài)和芯片的layout有關(guān)，我們無法預(yù)知一顆芯片的鉗位狀態(tài)，為了避免異常情況，針對(duì)輸入電壓可能先于電源電壓上電的情況，我們可以：

1.人為控制上電順序，保證在整個(gè)過程中不會(huì)出現(xiàn)輸入電壓超規(guī)格的情況。

2.在運(yùn)放的輸入端加對(duì)地鉗位二極管，保證在任何上電順序下運(yùn)放的輸入電壓都不會(huì)超規(guī)格。

為了驗(yàn)證方法2，我們?cè)贚M358和LM358B的輸入對(duì)負(fù)電源加入反向鉗位二極管后實(shí)測(cè)的結(jié)果如下：

表2. 加入鉗位二極管后LM358和LM358B輸出實(shí)測(cè)值

三、結(jié)論

1.運(yùn)放的輸入電壓超過規(guī)格書可能導(dǎo)致運(yùn)放內(nèi)部寄生晶體管產(chǎn)生漏電流，從而導(dǎo)致芯片的輸出鉗位到正電源或者負(fù)電源。

2. 不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致同一電路出現(xiàn)不同表現(xiàn)，有些可以正常工作而有些不能。

3. 運(yùn)放的鉗位狀態(tài)和芯片裸片（DIE）的layout有關(guān)，即使是同一系列的運(yùn)放也可能有不同的layout從而導(dǎo)致不同的鉗位狀態(tài)，因?yàn)樾酒闫膌ayout是不公開信息，我們無法預(yù)知運(yùn)放的鉗位狀態(tài)。為了避免運(yùn)放因?yàn)檩斎氤?guī)格導(dǎo)致工作異常，我們可以在輸入端對(duì)正負(fù)電源加鉗位二極管，避免運(yùn)放輸入超規(guī)格，從而保證電路的正常工作。

References

[1]. LM358 DATASHEET (SLOS068X)

[2]. Latch-Up, ESD, and Other Phenomena (SLYA014A)