放大器輸入保護...福兮禍兮?
發布時間:2012-11-14 來源:電子元件技術網 責任編輯:Hedyxing
導讀:當今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製輸入電壓,使之符合放大器的安全工作電壓範圍;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, dailaiqianzaidequexiandaozhiyanchi,zengjiashurupianzhidianliu,bingzengjiapianyidianya。tongguoxianzhijishejiedianya,keyibaohuchafenshurujimianshousunhai。zaimouxiejiaogaosudeguiguochengzhong,jiji-發射極擊穿電壓(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fang大da器qi輸shu出chu不bu能neng對dui輸shu入ru端duan的de變bian化hua瞬shun間jian做zuo出chu相xiang應ying。輸shu出chu不bu能neng跟gen蹤zong輸shu入ru意yi味wei著zhe差cha分fen對dui基ji射she結jie可ke能neng受shou到dao具ju有you潛qian在zai危wei害hai的de反fan向xiang偏pian置zhi過guo壓ya條tiao件jian的de影ying響xiang。圖tu1給出這個原理。放大器的輸入與具有±3V輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)的(de)脈(mai)衝(chong)發(fa)生(sheng)器(qi)相(xiang)連(lian)。為(wei)了(le)便(bian)於(yu)討(tao)論(lun),假(jia)設(she)脈(mai)衝(chong)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)與(yu)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)都(dou)比(bi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)小(xiao)得(de)多(duo)。當(dang)脈(mai)衝(chong)發(fa)生(sheng)器(qi)從(cong)–3 V轉換為+3 V時,放大器輸入非常迅速改變,而輸出變化則不這麼迅速,在晶體管Q2產生5.3 V 反向偏置。由於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,隻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。由於有了二極管D1與D2,Q1與Q2的電壓擺動就局限在±0.8V,遠低於基極-fashejijichuandianya。guochengsuduyuedi,jichuandianyayuegao,yinciweiletigaoyuzhidianya,keyizengjiagengduodechuanlianerjiguan。liru,ruguomougeguochengdejichuandianyashi4 V,利用3個串聯二極管可能使閾值降低為2.1 V。對dui於yu速su度du非fei常chang低di的de過guo程cheng,反fan向xiang擊ji穿chuan電dian壓ya將jiang足zu夠gou高gao,從cong而er可ke以yi省sheng卻que輸shu入ru保bao護hu。為wei什shen麼me不bu使shi用yong一yi串chuan獨du立li的de二er極ji管guan呢ne?輸shu入ru保bao護hu的de一yi個ge缺que點dian是shi二er極ji管guan限xian製zhi了le輸shu入ru電dian壓ya,因yin此ci影ying響xiang給gei轉zhuan換huan速su率lv帶dai來lai不bu利li影ying響xiang。高gao速su工gong作zuo時shi不bu希xi望wang這zhe種zhong特te性xing。

圖2 背對背二極管通過限製電壓擺動而保護晶體管Q2
在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia,輸shu入ru保bao護hu利li大da於yu弊bi。不bu過guo,在zai極ji少shao數shu情qing況kuang下xia,輸shu入ru保bao護hu可ke能neng帶dai來lai不bu希xi望wang的de結jie果guo。例li如ru,考kao慮lv一yi個ge斷duan電dian但dan有you信xin號hao輸shu入ru的de放fang大da器qi。信xin號hao振zhen幅fu在zai數shu百bai毫hao伏fu以yi內nei時shi不bu會hui出chu現xian問wen題ti,但dan是shi如ru果guo信xin號hao振zhen幅fu大da於yu400 mV,就可能遇到問題。由於輸入信號較大,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。信號大小取決於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。如同前麵的介紹,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給出截止狀態隔離度(off isolation)結果。在10 MHz時,200 mV信號的截止狀態隔離度大約是–50 dB。對於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,截止狀態隔離度僅為–29 dB。在要求高級別截止狀態隔離度的雷達探測等多路複用中,這將非常有害。

圖4 截止狀態隔離度測試電路

圖5 具有+10 dBm與-10 dBm輸入信號的AD8021截止狀態隔離度
為了解決這一問題,首先盡量選擇具有較高差分電壓額定值的放大器。遺憾的是,放大器的選擇可能還會考慮其他諸多參數(但差分輸入保護不是其中的參數)。放大器數據表中絕對最大額定值的選擇通常表明其最大差分輸入電壓。如果性能指標小於±Vs,則提供某些內置輸入保護。電壓越低,電路表現出截止狀態隔離度的可能就越大。表1給出所選放大器的差分電壓額定值。
表1 所選高速運算放大器的最大差分電壓額定值

對AD8038高速放大器反複進行截至狀態隔離度測試,其差分電壓額定值為±4 V,是AD8021的5倍。輸入電壓額定值越大,意味著需要較大的信號使輸入保護二極管正向偏置。從圖6可以看出:在10 MHz工作時,對於放大器輸入端2-Vpp信號,AD8038的截至狀態隔離度為–57 dB,比AD8021的截至狀態隔離度高28dB。

圖6 +10 dBm輸入信號時AD8021與AD8038的截止狀態隔離度
ruguozhidingfangdaqijuyoujiaodidechafenshurudianyaedingzhi,zaibutongpeizhizhongyingyongtakenengyousuobangzhu。dianyagensuiqijuyouzuigaodekuichuan。yigejiaohaodefanganshizaijuyouzengyidefeifanxiangpeizhizhongshiyongfangdaqi。fankuidianzuqigouchengjuyoufuzaidechufaqi,taduishuchuduandekuichuanxinhaojinxingshuaijian。fankuizuzhiyuegao,shuaijianjieguojiuyuemingxian。buguo,buyaojiangfankuidianzuqizengjiadetaiduo,yinweizhekenengzengjiazaoshengyupianyidianya,erqiezaimouxieqingkuangxia,haikenengjiangdiwendingxing。tu7對輸入為2-Vpp、增益分別為+1與+2時,AD8021放大器截至狀態隔離度進行了比較。從圖7中可以看出,增益為+2配置時,截至狀態隔離度比電壓跟蹤器配置時高6dB。

圖7 增益為+1與+2時AD8021的截止狀態隔離度
更戲劇性的方法是在放大器輸出端采用模擬開關,如ADG701。ADG701能夠完全隔離放大器輸出與負載,確保10 MHz時截止狀態隔離度大約在–55 dB,相當於200 mVpp輸入信號時AD8021的截止狀態隔離度。當設計需要具有關鍵交流參數、但不具有足夠的差分輸入電壓額定值的放大器時,增加開關是一個不錯的選擇。
在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia,包bao含han內nei置zhi輸shu入ru保bao護hu的de放fang大da器qi沒mei有you使shi用yong問wen題ti。然ran而er,在zai少shao數shu情qing況kuang下xia,輸shu入ru保bao護hu可ke能neng確que實shi帶dai來lai問wen題ti。如ru果guo出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang,首shou先xian檢jian查zha最zui大da差cha分fen輸shu入ru電dian壓ya指zhi標biao。如ru果guo其qi值zhi較jiao低di,考kao慮lv利li用yong具ju有you較jiao高gao最zui大da差cha分fen輸shu入ru電dian壓ya額e定ding值zhi的de放fang大da器qi、改變電路拓撲結構或者增加開關。這些方案都可以降低饋串量,並提高截止狀態隔離度。
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