淺析運(yùn)算放大器進(jìn)入鉗位狀態(tài)的原理(以LM358為例)

運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，因而得名“運(yùn)算放大器”。

由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

運(yùn)算放大器進(jìn)入鉗位狀態(tài)的原理(以LM358為例)

雖然各家廠商推出的運(yùn)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(yùn)算放大器都包含下列三個(gè)部分。

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

2.增益級(jí)：運(yùn)算放大器電壓增益的主要來(lái)源，將輸入信號(hào)放大轉(zhuǎn)為單端輸出后送往下一級(jí)。

3.輸出級(jí)：輸出級(jí)的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動(dòng)力、限流以及短路保護(hù)等功能。

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(kāi)，如圖2所示，這個(gè)基底將所有三極管隔離開(kāi)。

但是，如果LM358的輸入端(PNP的base極)太低，低過(guò)P基底一個(gè)電壓，那么這個(gè)偏置電壓就會(huì)導(dǎo)致電流流經(jīng)基底，而使得芯片無(wú)法正常工作。所以LM358的規(guī)格書(shū)會(huì)規(guī)定其輸入電壓的范圍，比如最低不能超過(guò)-0.3V。

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(gè)寄生的NPN管，當(dāng)運(yùn)放的輸入低于-0.3V時(shí)(比如-1V)，寄生的NPN管的發(fā)射極比基極低-1V，這個(gè)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(kāi)的兩個(gè)晶體管之間就有了電氣連接，同時(shí)與GND之間也有了電氣連接，芯片將無(wú)法正常工作。

圖5用紅點(diǎn)標(biāo)出了LM358所有可能有漏電流的點(diǎn)，以①點(diǎn)為例，當(dāng)其對(duì)地有漏電流時(shí)，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。

不同地點(diǎn)的漏電流會(huì)導(dǎo)致不同的運(yùn)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(duì)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(duì)于同一系列的芯片，比如LM358和LM358B，由于其裸片的layout不同，對(duì)于同樣的輸入超規(guī)格書(shū)使用，輸出的鉗位狀態(tài)也不同。