放大器輸入保護...福兮禍兮?
來源：ADI公司 作者：佚名2014年08月25日 10:56
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[導讀] 當今的許多高速運算放大器都具有片上輸入保護。在大多數情況下，這種保護對用戶是透明的；但在某些應用中，這種保護可能是電路的致命弱點。本文討論輸入保護需求、實現及其潛在的缺點。本文還給出利用具有輸入保護功能放大器的替代方案與電路方案。
關鍵詞：AD8021放大器輸入保護
當今的許多高速運算放大器都具有片上輸入保護。在大多數情況下，這種保護對用戶是透明的；但在某些應用中，這種保護可能是電路的致命弱點。本文討論輸入保護需求、實現及其潛在的缺點。本文還給出利用具有輸入保護功能放大器的替代方案與電路方案。
高速運算放大器的輸入保護有多種形式，其中共模過壓保護、靜電放電 （ESD）保護、輸入差分對保護是一些常見的保護。共模過壓保護主要限制輸入電壓，使之符合放大器的安全工作電壓范圍；靜電放電保護二極管是放大器避免靜電、靜電感應以及其他靜電放電事件的影響。這些片上二極管都與放大器輸入、輸出以及電源軌相連，這就起到保護放大器的作用，因為靜電放電電流流經電源與旁路電容器，而不是通過敏感的有源電路。
運算放大器輸入電壓的突然變化可以使輸出差分對的偏置反向， 帶來潛在的缺陷導致延遲，增加輸入偏置電流，并增加偏移電壓。通過限制基射結電壓，可以保護差分輸入級免受損害。在某些較高速的硅過程中，基極-發(fā)射極擊穿電壓（BVEBO）可以低至2～3 V。擊穿電壓與過程速度（process speed）成反比，因此，過程越快，擊穿電壓越低。為了可靠運行，必須避免差分對基射結偏置的反向。
作為電壓跟隨器配置時，放大器最容易受到輸入級損害。實際（非理想的）放大器輸出不能對輸入端的變化瞬間做出相應。輸出不能跟蹤輸入意味著差分對基射結可能受到具有潛在危害的反向偏置過壓條件的影響。圖1給出這個原理。放大器的輸入與具有±3V輸出電壓范圍的脈沖發(fā)生器相連。為了便于討論，假設脈沖發(fā)生器的上升時間與下降時間都比放大器的傳播延遲小得多。當脈沖發(fā)生器從–3 V轉換為+3 V時，放大器輸入非常迅速改變，而輸出變化則不這么迅速，在晶體管Q2產生5.3 V 反向偏置。由于晶體管額定擊穿電壓為2～3 V，因此需要輸入保護。
圖1. 放大器輸入電壓的迅速轉換將給晶體管Q2帶來具有潛在危害的反向偏置
這個保護非常簡單，只要在放大器輸入端增加一對背對背二極管（D1與D2）即可，如圖2所示。由于有了二極管D1與D2，Q1與Q2的電壓擺動就局限在±0.8V，遠低于基極-發(fā)射極擊穿電壓。過程速度越低，擊穿電壓越高，因此為了提高閾值電壓，可以增加更多的串聯二極管。例如，如果某個過程的擊穿電壓是4 V，利用3個串聯二極管可能使閾值降低為2.1 V。對于速度非常低的過程，反向擊穿電壓將足夠高，從而可以省卻輸入保護。為什么不使用一串獨立的二極管呢？輸入保護的一個缺點是二極管限制了輸入電壓，因此影響給轉換速率帶來不利影響。高速工作時不希望這種特性。
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圖2. 背對背二極管通過限制電壓擺動而保護晶體管Q2
在大多數情況下，輸入保護利大于弊。不過，在極少數情況下，輸入保護可能帶來不希望的結果。例如，考慮一個斷電但有信號輸入的放大器。信號振幅在數百毫伏以內時不會出現問題，但是如果信號振幅大于400 mV，就可能遇到問題。由于輸入信號較大，輸入保護二極管（D1與D2）將成為正向偏壓的。輸入和輸出之間通過到負載的反饋電阻器形成信號路徑，如圖3所示。信號大小取決于輸入信號的振幅與頻率。
圖3. 斷電時運算放大器中的輸入保護二極管可能將輸入信號耦合到輸出端
利用增益為+1的AD8021可以說明這一原理。如同前面的介紹，在AD8021放大器輸入之間包含兩個內置背對背二極管。圖4給出測試電路。為了進行測試，在輸入端加入200 mVpp（–10 dBm）與2 Vpp （+10 dBm）信號。信號從300 kHz到100 MHz之間變化。圖5給出截止狀態(tài)隔離度（off isolation）結果。在10 MHz時，200 mV信號的截止狀態(tài)隔離度大約是–50 dB。對于2-Vpp信號，保護二極管完全開通。輸入信號的大部分被反饋至輸出，截止狀態(tài)隔離度僅為–29 dB。在要求高級別截止狀態(tài)隔離度的雷達探測等多路復用中，這將非常有害。
圖4. 截止狀態(tài)隔離度測試電路
圖5. 具有+10 dBm與-10 dBm輸入信號的AD8021截止狀態(tài)隔離度
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