运算放大器输出相位反转和输入过压保护分析

外部二极管还能带来其它好处，有些可能不太明显。例如，如果允许故障电流流入运算放大器，则必须选择适当的RLIMIT,使得在最差情况的VIN下，最大电流不超过5 mA.这一要求可能导致RLIMIT值相当大，相关的噪声和失调电压增加可能是设计无法接受的。举例来说，为了预防100 V的VIN,根据5 mA要求，RLIMIT必须大于或等于20 k.然而，如果有外部肖特基箝位二极管，则RLIMIT可以由最大容许的D1-D2电流决定，它可以大于5 mA.不过这里应小心，对于非常高的电流，肖特基二极管压降可能超过0.6 V,从而激活内部运放二极管。

为使失调电压和噪声误差最小，必须使RLIMIT的值尽可能低。RLIMIT与运算放大器输入端串联，产生一个与偏置电流成比例的压降。如果不校正，此电压将表现为电路失调电压增加。因此，对于偏置电流中等且大致相等的运算放大器(大部分是双极性类型)，补偿电阻RFB用于平衡直流失调，使该误差最小。对于低偏置电流运算放大器(Ib ≤10 nA或FET型)，有可能不需要RFB.为使RFB相关噪声最小，应利用一个电容CF将其旁路。

消除输出相位反转

许多情况下，增加合适的RLIMIT电阻可以防止输出相位反转。然而，许多运算放大器制造商未必始终能够提供适合防止输出相位反转的RLIMIT电阻值。不过，可以通过一组测试以经验来确定该值。通常，防止相位反转的RLIMIT电阻值也会通过输入共模箝位二极管来安全地限制故障电流。如果不确定，可以从1 k的标称值开始测试。

通常而言，FET输入运算放大器只需要限流串联电阻来提供保护，但双极性输入放大器最好同时用限流电阻和肖特基二极管来提供保护(如图3所示的RLIMIT和D2)。

输入差分保护

到目前为止的讨论都是关于过压共模状况，它通常与输入级结构固有的PN结正偏有关。

过压保护还有一点也同样重要，那就是过大差分电压引起的过压。将过大差分电压施加于某些运算放大器时，可能导致其工作性能降低。

这种性能降低是由反向结击穿引发的，这是输入级导通不良的第二种情况，发生在差分过压状况下。然而，对于PN结反向击穿，问题的性质可能更加微妙，图4所示为一个运放输入级的一部分。

图4:具有D1-D2输入差分过压保护网络的运算放大器输入级

该电路适用于OP27等低噪声运算放大器，也是许多其它采用低噪声双极性晶体管来构成差分对Q1-Q2的放大器的典型保护电路。如果没有任何保护，可以看出，两个输入间高于大约7 V的电压将导致Q2或Q1(取决于相对极性)反向结击穿。注意，如果是射极-基极击穿，则很小的反向电流也会导致两个晶体管的增益和噪声性能下降。发生射极-基极击穿后，运算放大器参数(如偏置电流和噪声等)可能会超出额定范围。这通常是永久性的，逐渐而微妙地发生，特别是在由瞬变触发的情况下。因此，几乎所有低噪声运算放大器，无论是基于NPN还是PNP,都会采用保护二极管，如输入上的D1-D2等。如果施加的电压超过±0.6 V,这些二极管就会导通，从而保护晶体管。

虚线所示的串联电阻起到限流作用(为保护二极管提供保护)，但所有情况下均未使用。例如，AD797没有这些电阻，因为它们会降低器件的1 nV/Hz额定噪声性能。注意，如果内部缺少这些电阻，则必须提供外部限流措施，以防受差分过压状况影响。显而易见，这里存在一个取舍关系，必须权衡考虑全面保护的程度与噪声性能的降幅。注意，应用电路本身可能已在运算放大器输入中提供足够的电阻，因而不需要额外的电阻。

应用低噪声双极性输入级运算放大器时，首先应检查所选器件的数据手册，看它是否具有内部保护。需要时，应增加保护二极管D1-D2(如果运算放大器没有内置)，确保避免Q1-Q2射极-基极击穿。如果应用中运算放大器经历的差分瞬变高于5 V,这些二极管应能处理。普通的低电容二极管足以胜任，如1N4148系列。视需要增加限流电阻，以便将二极管电流限制在安全水平。

其它IC器件结，如基极-集电极和JFET栅极-源极结等，在击穿时不会表现出这样的性能降低。对于这些结，输入电流应以5 mA为限，除非数据手册另有规定。

运算放大器和仪表放大器的这些不同过压防范措施看起来很复杂，事实上也的确如此!只要运算放大器(或仪表放大器)输入(和输出)超出设备边界条件，就可能发生危险情况或器件损毁。显然，为了实现最高可靠性，必须防患于未然。

幸运的是，大多数应用都是完全内置于设备中，通常看到的是采用同一电源系统的其它IC的输入和输出。因此，这种情况下一般不需要箝位和保护方案。

图5总结了过压考虑事项。

图5:电路内过压考虑事项汇总

采用高共模电压仪表放大器的共模过压保护

在精密运算放大器之前进行阻性输入衰减，是模拟通道过压保护的终极简化方案。这一组合相当于一个支持高压的仪表放大器，如AD629等，它能够以线性方式对叠加于最高±270 V共模电压的差分信号进行处理。此外，过压保护考虑最重要的一点是，片内电阻能够为最高±500 V的共模或差分电压提供保护。所有这些都是通过精密激光调整薄膜电阻阵列和运算放大器实现，如图6所示。

图6:高压仪表放大器IC AD629提供± 500 V输入过压保护;仅采用单个器件，极其简单，并且实现了防故障关断操作

分析该拓扑结构可知，精密运算放大器AD629周围的阻性网络充当一个分压器，将施加于VIN的共模电压降低20倍。AD629同时以单位增益将输入差模信号VIN转换成以本地接地为基准的单端输出信号。增益误差不超过±0.03 %或±0.05 %,失调电压不超过0.5 mV或1 mV(取决于器件等级)。AD629的电源电压范围是±2.5 V至±18 V.