運放輸出鉗位機理及避免辦法匯總

Other Parts Discussed in Post:LM358, LM358B

作者：Howard Zou

運算放大器是指一類專門通過改變外圍器件可以實現(xiàn)不同算數(shù)運算的放大器。任何一顆運放都集成了非常多的晶體管，這些晶體管除了構(gòu)成基本的工作電路，同時也會有實現(xiàn)輸入輸出電壓鉗位等保護功能。但是因為生產(chǎn)工藝的原因，在制造這些保證運放正常工作的晶體管的過程中，不可避免地會引入寄生晶體管和二極管。當(dāng)運算放大器工作在規(guī)格書指定的工作范圍內(nèi)時，這些寄生晶體管不會對芯片的工作造成影響。然而，如果運放工作在超規(guī)格書的范圍時，可能使得芯片的輸出異常，進入輸出鉗位狀態(tài)，從而影響電路的正常工作。本文以LM358為例，介紹其進入輸出鉗位狀態(tài)的機理，同時提出避免芯片被鉗位的解決辦法。

一、運算放大器進入鉗位狀態(tài)的原理（以LM358為例）

雖然各家廠商推出的運算放大器性能與規(guī)格互有差異，但是一般而言標(biāo)準(zhǔn)的運算放大器都包含下列三個部分。

1.差動輸入級：以一差分放大器作為輸入級，提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。

2.增益級：運算放大器電壓增益的主要來源，將輸入信號放大轉(zhuǎn)為單端輸出后送往下一級。

3.輸出級：輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動力、限流以及短路保護等功能。

圖1. LM358內(nèi)部架構(gòu)圖

可以看到，所有電路的基本組成單元都是NPN管和PNP管，這些NPN和PNP管由連接到地的P基底隔開，如圖2所示，這個基底將所有三極管隔離開。但是，如果LM358的輸入端（PNP的base極）太低，低過P基底一個電壓，那么這個偏置電壓就會導(dǎo)致電流流經(jīng)基底，而使得芯片無法正常工作。所以LM358的規(guī)格書會規(guī)定其輸入電壓的范圍，比如最低不能超過-0.3V。

圖2. 運放NPN和PNP管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. LM358的最大電壓范圍

如圖4所標(biāo)注，PNP管的發(fā)射極，P基底和NPN管的集電極構(gòu)成了一個寄生的NPN管，當(dāng)運放的輸入低于-0.3V時（比如-1V），寄生的NPN管的發(fā)射極比基極低-1V，這個電壓足夠使得寄生的NPN管導(dǎo)通，從而引起電流從集電極流向基極，這樣，原本原本隔離開的兩個晶體管之間就有了電氣連接，同時與GND之間也有了電氣連接，芯片將無法正常工作。

圖4. 運放NPN和PNP管和基底構(gòu)成寄生NPN管

圖5用紅點標(biāo)出了LM358所有可能有漏電流的點，以①點為例，當(dāng)其對地有漏電流時，芯片輸出端的PNP管將導(dǎo)通，從而使得芯片輸出被鉗位到低電平。

圖5. LM358可能有漏電流的點

不同地點的漏電流會導(dǎo)致不同的運放輸出狀態(tài)，有些可能使得芯片輸出為高，有些可能使得芯片輸出為低。對于同樣的輸入，比如IN-輸入為-1V，其引起的可能有漏電流的地方也隨著芯片layout的不同而不同，一般離得越近的晶體管之間更容易引起漏電流，對于同一系列的芯片，比如LM358和LM358B，由于其裸片的layout不同，對于同樣的輸入超規(guī)格書使用，輸出的鉗位狀態(tài)也不同。

二、鉗位狀態(tài)可能引起的問題及其避免方法

在實際應(yīng)用過程中，絕大多數(shù)工程師都會避免輸入信號的電壓超過規(guī)格書規(guī)定的范圍，但是，由于上電順序的影響，運放很容易出現(xiàn)被測量信號比電源信號早上電的情況，從而導(dǎo)致芯片超規(guī)格使用從而進入鉗位狀態(tài)。

圖6是一個常見的電壓測量電路，LM358B由±5V供電，很容易可以推算出正常工作時Vout=VS1*(-R3/R1)=-250V*(-5.6/820)=1.71V。

圖6. 電壓檢測電路

我們在實際電路中測量，發(fā)現(xiàn)實際運放的輸出和芯片的上電順序有關(guān)，如表1所示：

表1. LM358和LM358B輸出實測值

可以看到，當(dāng)運放供電先于被測電壓上電時運放的輸出都是正常的，這是因為在整個過程中芯片的輸入電壓都沒有超過電源電壓，從而符合規(guī)格書的應(yīng)用范圍。當(dāng)運放供電晚于被測-250V電壓上電，當(dāng)被測電壓上電而運放未上電時，運放的負輸入端會有一個低于-0.3V的負電壓，根據(jù)第一章的分析，可能會導(dǎo)致運放的輸出鉗位到正電源電壓或者負電源電壓。對于LM358而言，其輸出被鉗位到正電源電壓，當(dāng)供電電源上電后，+5V電源會通過輸出端將LM358的輸入端拉回正電壓，從而使得芯片的輸出恢復(fù)正常。而對于LM358B而言，其輸出被鉗位到負電源電壓，當(dāng)供電電源上電后，-5V電源通過輸出端將LM358B的輸入端拉到更低的電壓（實測為-5.68V），這個電壓比負電源低0.68V，輸出始終被鉗位到負電源電壓附近無法恢復(fù)正常。

從上文分析可以看出，不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致不同的輸出，由于鉗位狀態(tài)和芯片的layout有關(guān)，我們無法預(yù)知一顆芯片的鉗位狀態(tài)，為了避免異常情況，針對輸入電壓可能先于電源電壓上電的情況，我們可以：

1.人為控制上電順序，保證在整個過程中不會出現(xiàn)輸入電壓超規(guī)格的情況。

2.在運放的輸入端加對地鉗位二極管，保證在任何上電順序下運放的輸入電壓都不會超規(guī)格。

為了驗證方法2，我們在LM358和LM358B的輸入對負電源加入反向鉗位二極管后實測的結(jié)果如下：

表2. 加入鉗位二極管后LM358和LM358B輸出實測值

三、結(jié)論

1.運放的輸入電壓超過規(guī)格書可能導(dǎo)致運放內(nèi)部寄生晶體管產(chǎn)生漏電流，從而導(dǎo)致芯片的輸出鉗位到正電源或者負電源。

2. 不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致同一電路出現(xiàn)不同表現(xiàn)，有些可以正常工作而有些不能。

3. 運放的鉗位狀態(tài)和芯片裸片（DIE）的layout有關(guān)，即使是同一系列的運放也可能有不同的layout從而導(dǎo)致不同的鉗位狀態(tài)，因為芯片裸片的layout是不公開信息，我們無法預(yù)知運放的鉗位狀態(tài)。為了避免運放因為輸入超規(guī)格導(dǎo)致工作異常，我們可以在輸入端對正負電源加鉗位二極管，避免運放輸入超規(guī)格，從而保證電路的正常工作。

References

[1]. LM358 DATASHEET (SLOS068X)

[2]. Latch-Up, ESD, and Other Phenomena (SLYA014A)