放大器輸入保護(hù)減少饋通量并改善關(guān)閉隔離

當(dāng)今的許多高速運(yùn)算放大器都具有片內(nèi)輸入保護(hù)功能。在大多數(shù)情況下，這種保護(hù)對(duì)用戶(hù)是透明的，但在某些應(yīng)用中，它可能是電路的致命弱點(diǎn)。本文討論了輸入保護(hù)的必要性、其實(shí)現(xiàn)及其潛在缺點(diǎn)。它還介紹了利用具有輸入保護(hù)功能的放大器的替代方案和電路解決方案。

在高速放大器中可以找到各種形式的輸入保護(hù)：共模過(guò)壓保護(hù)、靜電放電（ESD）保護(hù)和輸入差分對(duì)保護(hù)是一些常見(jiàn)的保護(hù)。共模過(guò)壓保護(hù)主要限制輸入電壓與放大器的安全工作范圍兼容。ESD二極管可保護(hù)放大器免受靜電、靜電感應(yīng)和其他ESD事件的影響。這些片內(nèi)二極管從運(yùn)算放大器輸入和輸出連接到電源軌。這保護(hù)了放大器，因?yàn)镋SD電流被路由到電源和旁路電容，而不是通過(guò)敏感的有源電路。

運(yùn)算放大器輸入端的突然電壓變化會(huì)使輸入差分對(duì)反向偏置，從而導(dǎo)致潛在缺陷、輸入偏置電流增加和失調(diào)電壓增加。通過(guò)限制基極-發(fā)射極結(jié)兩端的電壓來(lái)保護(hù)差分輸入級(jí)免受損壞。在一些高速硅工藝中，基極-發(fā)射極擊穿電壓（BV.DB。） 可以小至 2 到 3 伏。擊穿電壓與工藝速度成反比，因此工藝越快，擊穿電壓越低。為了可靠運(yùn)行，必須避免差分對(duì)發(fā)射極-基極結(jié)反向偏置。

當(dāng)配置為電壓跟隨器時(shí)，放大器最容易受到輸入級(jí)損壞的影響。實(shí)（非理想）放大器輸出無(wú)法立即響應(yīng)輸入端的變化。輸出無(wú)法跟蹤輸入意味著差分對(duì)的基極-發(fā)射極結(jié)可能會(huì)受到潛在有害的反向偏置過(guò)壓條件的影響。圖 1 說(shuō)明了這一原理。放大器的輸入連接到輸出擺幅為 ±3V 的脈沖發(fā)生器。對(duì)于此討論，假設(shè)脈沖發(fā)生器的上升和下降時(shí)間遠(yuǎn)短于放大器的傳播延遲。當(dāng)發(fā)生器從–3 V轉(zhuǎn)換到+3 V時(shí)，放大器輸入變化非常快，但輸出變化不大，Q5上會(huì)產(chǎn)生3.2 V反向偏置。具有額定BV的晶體管.DB。2 至 3 伏，顯然需要輸入保護(hù)。

圖1.運(yùn)算放大器輸入端的快速擺幅會(huì)導(dǎo)致Q2上潛在有害的反向偏置

這種保護(hù)可以像放大器輸入端兩端的一對(duì)背靠背二極管（D1和D2）一樣簡(jiǎn)單，如圖2所示。當(dāng)二極管D1和D2就位時(shí)，Q1和Q2兩端的電壓擺幅被限制在約±0.8V，遠(yuǎn)低于基極-發(fā)射極擊穿電壓。隨著速度較慢的過(guò)程，擊穿電壓越高，因此可以串聯(lián)添加更多的二極管以增加閾值電壓。例如，如果一個(gè)過(guò)程的擊穿電壓為4 V，則可以使用三個(gè)串聯(lián)二極管，閾值約為2.1 V。對(duì)于非常慢的過(guò)程，反向擊穿電壓足夠高，可以消除輸入保護(hù)。為什么不只留下一組二極管并完成它呢？輸入保護(hù)的缺點(diǎn)之一是二極管限制了輸入兩端的電壓，因此會(huì)對(duì)壓擺率產(chǎn)生不利影響。在高速運(yùn)行時(shí)，這不是一個(gè)理想的功能。

圖2.背靠背二極管通過(guò)限制電壓擺幅來(lái)保護(hù)Q2

在大多數(shù)情況下，輸入保護(hù)利大于弊。然而，在極少數(shù)情況下，輸入保護(hù)可能會(huì)導(dǎo)致不良影響。例如，考慮一個(gè)未通電但輸入端有信號(hào)的放大器。小于幾百毫伏的信號(hào)幅度不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但大于約400 mV的信號(hào)幅度可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。輸入信號(hào)較大時(shí)，輸入保護(hù)二極管（D1和D2）將變?yōu)檎蚱谩Ｍㄟ^(guò)反饋電阻建立從輸入到輸出到負(fù)載的信號(hào)路徑，如圖3所示。信號(hào)量取決于輸入信號(hào)的幅度和頻率。

圖3.無(wú)源運(yùn)算放大器中的輸入保護(hù)二極管將輸入信號(hào)耦合到輸出端

使用配置為+8021增益的AD1來(lái)說(shuō)明這一原理。如前所述，AD8021在放大器輸入端上包括兩個(gè)背靠背二極管。測(cè)試電路如圖4所示。在本測(cè)試中，將200 mVpp （–10 dBm）和2 Vpp（+10 dBm）信號(hào)施加到輸入端。信號(hào)從300 kHz掃描到100 MHz。 圖5顯示了關(guān)閉隔離結(jié)果。在 10 MHz 時(shí)，200mV 信號(hào)的關(guān)斷隔離度約為 –50 dB。使用 2-Vpp 信號(hào)時(shí)，保護(hù)二極管完全導(dǎo)通。大部分輸入信號(hào)饋送到輸出端，關(guān)斷隔離度僅為–29 dB。這將在需要高度關(guān)斷隔離的多路復(fù)用應(yīng)用中產(chǎn)生不利影響，例如雷達(dá)檢測(cè)。

圖4.關(guān)斷隔離測(cè)試電路

圖5.AD8021關(guān)斷隔離，輸入信號(hào)為+10 dBm和-10 dBm

要解決此問(wèn)題，首先嘗試通過(guò)選擇具有更高差分電壓額定值的放大器來(lái)避免它。不幸的是，放大器可能已被許多其他參數(shù)選擇（差分輸入保護(hù)不是其中之一）。放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)的絕對(duì)最大額定值部分通常顯示其最大差分輸入電壓。如果規(guī)格小于±Vs，則提供一些片內(nèi)輸入保護(hù)。電壓越低，電路在關(guān)斷隔離時(shí)性能下降的可能性就越大。表1顯示了所選放大器的差分輸入電壓額定值。

表I. 所選高速運(yùn)算放大器的最大差分電壓額定值

在高速放大器AD8038上重復(fù)關(guān)斷隔離測(cè)試，其差分電壓額定值為±4 V，是AD8021的五倍。較大的輸入電壓額定值意味著輸入保護(hù)二極管正向偏置需要更大的信號(hào)。圖6顯示，AD8038在57 MHz時(shí)提供–10 dB的關(guān)斷隔離，放大器輸入端具有2 Vpp信號(hào)，與AD28相比，關(guān)斷隔離度提高了8021 dB。

圖6.AD8021和AD8038關(guān)斷隔離，輸入信號(hào)為+10 dBm

如果指定的放大器具有較低的差分輸入電壓額定值，則在不同的配置中使用它會(huì)有所幫助。電壓跟隨器具有最高的饋通量。更好的選擇是在具有增益的同相配置中使用放大器。反饋電阻與負(fù)載形成分壓器，在輸出端提供饋通信號(hào)的衰減。反饋電阻越高，衰減水平越高。但是，不要過(guò)多地增加反饋電阻，因?yàn)檫@會(huì)增加噪聲和失調(diào)電壓，并且在某些情況下還會(huì)降低穩(wěn)定性。圖7比較了AD8021的關(guān)斷隔離，AD1配置為+2和+2增益，輸入端施加2 Vpp。如圖所示，與電壓跟隨器配置相比，增益為6的配置在關(guān)斷隔離方面提高了<> dB。

圖7.AD8021關(guān)斷隔離，增益為+1和+2

一種更具戲劇性的方法是在放大器輸出端使用串聯(lián)模擬開(kāi)關(guān)，例如ADG701。ADG701將放大器輸出與負(fù)載完全斷開(kāi)，確保在55 MHz時(shí)關(guān)斷隔離約–10 dB，與AD8021提供200 mVpp輸入信號(hào)的關(guān)斷隔離相當(dāng)。當(dāng)設(shè)計(jì)要求放大器具有關(guān)鍵交流參數(shù)，但沒(méi)有足夠的差分輸入電壓額定值時(shí)，添加開(kāi)關(guān)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

具有片內(nèi)輸入保護(hù)功能的放大器可在大多數(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)無(wú)故障運(yùn)行。然而，在極少數(shù)情況下，輸入保護(hù)實(shí)際上可能會(huì)引入問(wèn)題。如果發(fā)生這種情況，請(qǐng)首先檢查最大差分輸入電壓規(guī)格。如果較低，請(qǐng)考慮使用額定值較高的放大器，改變電路拓?fù)浠蛱砑哟?lián)開(kāi)關(guān)。所有這些選項(xiàng)都將減少饋通量并改善關(guān)閉隔離。

審核編輯：郭婷