如何保護(hù)非放大器

作為一名應(yīng)用工程師，最好的事情是我遇到的各種各樣的客戶、應(yīng)用、電路和問題，所有這些都為我提供了每天學(xué)習(xí)新事物的機(jī)會(huì)。每年我都會(huì)收到幾個(gè)問題，詢問用戶在電源關(guān)閉時(shí)可能期望從我們的放大器獲得什么樣的性能。我喜歡將這些放大器稱為“非放大器”。

除靜電放電（ESD）測試外，放大器始終具有通電特性，因此解決非放大器問題并不總是一截了當(dāng)?；卮鸱欠糯笃鲉栴}需要詳細(xì)了解放大器的內(nèi)部晶體管級(jí)工作原理、非放大器在沒有電源的情況下的行為、連接到非放大器的外部電路以及該外圍電路在沒有電源的情況下的行為。

奇怪的是，我收到的大多數(shù)非放大器問題都涉及電壓，但不是電源電壓。目標(biāo)電壓通常是施加到失放輸入或輸出的電壓。為了節(jié)省電力，用戶將有選擇地關(guān)閉其系統(tǒng)的某些部分。這通常會(huì)導(dǎo)致電壓施加到系統(tǒng)的未供電部分。用戶通常有興趣了解失放對(duì)這種錯(cuò)誤電壓的反應(yīng)，以及他們必須采取哪些預(yù)防措施來確保失放的安全。

要了解如何保護(hù)非放大器，我們必須首先查看ESD保護(hù)二極管，這是放大器的第一道防線。ESD二極管可保護(hù)放大器免受短時(shí)間高壓的影響，但如果流經(jīng)它們的電流不受限制，則長時(shí)間暴露在低直流電壓下可能會(huì)損壞或破壞。圖1所示為帶有ESD保護(hù)二極管的典型運(yùn)算放大器。

二極管D1至D7構(gòu)成放大器的ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)?！繧N之間的虛線內(nèi)所示的二極管構(gòu)成了另一個(gè)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可保護(hù)放大器輸入級(jí)免受過壓情況的影響1.反并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)二極管的數(shù)量因放大器而異。要估計(jì)放大器輸入之間的二極管數(shù)量，請(qǐng)查看放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中絕對(duì)最大額定值表中的差分輸入電壓。

當(dāng)放大器電源關(guān)閉時(shí)，±IN上的電壓可以打開二極管D1至D4。圖1顯示了從+IN通過保護(hù)二極管到電源的電流路徑，假設(shè)存在一條接地返回路徑。紅色跡線表示正電壓至+Vs的路徑;藍(lán)色跡線顯示負(fù)電壓至–Vs的路徑。在失放輸出端存在電壓的情況下，可以通過二極管D6和D7從輸出到電源繪制類似的路徑。最重要的安全預(yù)防措施是限制進(jìn)入失放引腳的電流。

圖1.從+IN到電源的失放電流路徑

如果沒有電流限制，二極管和放大器可能會(huì)損壞或損壞。我們通常建議將進(jìn)入任何放大器引腳的電流限制在5 mA或更低。通常，必須添加的只是一個(gè)串聯(lián)電阻器。圖2所示為限流離放的原理圖。在正常工作條件下，Rs對(duì)整個(gè)電路功能幾乎沒有影響。假設(shè)最壞情況是±Vs引腳接地，計(jì)算Rs，如下式所示：

圖2.限流失放

在最近另一項(xiàng)涉及FET輸入放大器的離放調(diào)查中，用戶想知道配置為單位增益的離放是否仍會(huì)在同相輸入端對(duì)直流電壓產(chǎn)生高輸入阻抗。

我像外交官一樣回答：“是也不是。對(duì)于小于0.6 V的電壓，非放大器輸入具有高輸入阻抗，因?yàn)镋SD二極管至少需要0.6 V才能導(dǎo)通。如果沒有傳導(dǎo)路徑，輸入仍顯示為高阻抗。但是，如果輸入電壓大于0.6 V，電流將開始流過ESD二極管和失放內(nèi)的其他“潛行路徑”。要限制 D3 中的電流，請(qǐng)使用方程求解 Rs。如果對(duì)非放大器輸入施加4 V的更差情況，則Rs必須至少為680歐姆，而不是高輸入阻抗。

反極性保護(hù)可以在這些應(yīng)用中提供幫助。作為國防電子的前設(shè)計(jì)師，反極性保護(hù)是我經(jīng)常在設(shè)計(jì)中加入的東西。反極性保護(hù)可確保電路安全，即使將錯(cuò)誤的極性電源連接到系統(tǒng)的偏置引腳也是如此。結(jié)合反極性保護(hù)是一種簡單、低成本的保險(xiǎn)單;只需要一對(duì)二極管。如果應(yīng)用正確的電源極性，二極管將正向偏置，電路按預(yù)期工作。如果施加相反的電源極性，則二極管反向偏置。沒有電流可以通過，電路受到保護(hù)。圖3所示為帶有反極性保護(hù)二極管的放大器。

圖3.具有反極性保護(hù)的運(yùn)算放大器

反極性保護(hù)二極管還允許在更大的輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，因?yàn)槎O管增加了額外的壓降，在電流流動(dòng)之前必須克服這個(gè)壓降。防止電流通過D3流向+Vs引腳，由外部二極管RPD1優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于正電壓，RPD1 反向偏置，因此防止電流流過 D3。電流不會(huì)通過反向偏置的ESD二極管D4從輸入流向負(fù)軌，而是通過FET輸入級(jí)的PN結(jié)尋求另一條路徑。二極管RPD2形成一個(gè)額外的電壓勢壘，在任何電流流動(dòng)之前必須克服該勢壘。

圖4所示為用于測量離放輸入阻抗的測試電路。請(qǐng)注意，Rs 大于等式所需的值。較大的電阻器進(jìn)一步限制了電流，同樣重要的是，它在實(shí)驗(yàn)室中很容易獲得。

圖4.失放輸入阻抗測試電路

圖5顯示了不帶反極性保護(hù)二極管的FET離型放大器的輸入阻抗。輸入阻抗隨著偏置的增加使D3更難導(dǎo)通而減小。

圖5.無反極性保護(hù)二極管的失放輸入阻抗

圖6顯示了在極性反接保護(hù)二極管就位的情況下兩種不同負(fù)載條件下的輸入阻抗。請(qǐng)注意，圖 6 中的 Y 軸以 M 歐姆為單位，而不是圖 5 中使用的 K 歐姆。反極性保護(hù)二極管提供了三個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。斷點(diǎn)表示隨著輸入電壓的增加，功放內(nèi)的不同結(jié)點(diǎn)被打開。反極性保護(hù)二極管有助于提高斷點(diǎn)的閾值。負(fù)載阻抗值是本應(yīng)用中的一個(gè)重要考慮因素。低阻抗并聯(lián)負(fù)載接地將為電流提供并聯(lián)的低阻抗路徑，并使這種方法毫無用處。因此，用戶必須了解失放在沒有電源時(shí)的行為，以及相鄰電路的行為。

圖6.帶反極性保護(hù)二極管的失放輸入阻抗

深入了解非放大器問題可能具有挑戰(zhàn)性，必須考慮許多因素。放大器類型、外圍電路以及輸入和輸出電壓都很重要。保護(hù)失放的最佳方法是確保與失放接觸的任何電路的電源也處于關(guān)閉狀態(tài)。如果無法做到這一點(diǎn)，請(qǐng)確保限制進(jìn)入失放的電流。如果您需要其他幫助，請(qǐng)務(wù)必咨詢應(yīng)用工程師。

審核編輯：郭婷