放大器输入保护减少馈通量并改善关闭隔离

当今的许多高速运算放大器都具有片内输入保护功能。在大多数情况下，这种保护对用户是透明的，但在某些应用中，它可能是电路的致命弱点。本文讨论了输入保护的必要性、其实现及其潜在缺点。它还介绍了利用具有输入保护功能的放大器的替代方案和电路解决方案。

在高速放大器中可以找到各种形式的输入保护：共模过压保护、静电放电（ESD）保护和输入差分对保护是一些常见的保护。共模过压保护主要限制输入电压与放大器的安全工作范围兼容。ESD二极管可保护放大器免受静电、静电感应和其他ESD事件的影响。这些片内二极管从运算放大器输入和输出连接到电源轨。这保护了放大器，因为ESD电流被路由到电源和旁路电容，而不是通过敏感的有源电路。

运算放大器输入端的突然电压变化会使输入差分对反向偏置，从而导致潜在缺陷、输入偏置电流增加和失调电压增加。通过限制基极-发射极结两端的电压来保护差分输入级免受损坏。在一些高速硅工艺中，基极-发射极击穿电压（BV.DB。） 可以小至 2 到 3 伏。击穿电压与工艺速度成反比，因此工艺越快，击穿电压越低。为了可靠运行，必须避免差分对发射极-基极结反向偏置。

当配置为电压跟随器时，放大器最容易受到输入级损坏的影响。实（非理想）放大器输出无法立即响应输入端的变化。输出无法跟踪输入意味着差分对的基极-发射极结可能会受到潜在有害的反向偏置过压条件的影响。图 1 说明了这一原理。放大器的输入连接到输出摆幅为 ±3V 的脉冲发生器。对于此讨论，假设脉冲发生器的上升和下降时间远短于放大器的传播延迟。当发生器从–3 V转换到+3 V时，放大器输入变化非常快，但输出变化不大，Q5上会产生3.2 V反向偏置。具有额定BV的晶体管.DB。2 至 3 伏，显然需要输入保护。

图1.运算放大器输入端的快速摆幅会导致Q2上潜在有害的反向偏置

这种保护可以像放大器输入端两端的一对背靠背二极管（D1和D2）一样简单，如图2所示。当二极管D1和D2就位时，Q1和Q2两端的电压摆幅被限制在约±0.8V，远低于基极-发射极击穿电压。随着速度较慢的过程，击穿电压越高，因此可以串联添加更多的二极管以增加阈值电压。例如，如果一个过程的击穿电压为4 V，则可以使用三个串联二极管，阈值约为2.1 V。对于非常慢的过程，反向击穿电压足够高，可以消除输入保护。为什么不只留下一组二极管并完成它呢？输入保护的缺点之一是二极管限制了输入两端的电压，因此会对压摆率产生不利影响。在高速运行时，这不是一个理想的功能。

图2.背靠背二极管通过限制电压摆幅来保护Q2

在大多数情况下，输入保护利大于弊。然而，在极少数情况下，输入保护可能会导致不良影响。例如，考虑一个未通电但输入端有信号的放大器。小于几百毫伏的信号幅度不会出现问题，但大于约400 mV的信号幅度可能会出现问题。输入信号较大时，输入保护二极管（D1和D2）将变为正向偏置。通过反馈电阻建立从输入到输出到负载的信号路径，如图3所示。信号量取决于输入信号的幅度和频率。

图3.无源运算放大器中的输入保护二极管将输入信号耦合到输出端

使用配置为+8021增益的AD1来说明这一原理。如前所述，AD8021在放大器输入端上包括两个背靠背二极管。测试电路如图4所示。在本测试中，将200 mVpp （–10 dBm）和2 Vpp（+10 dBm）信号施加到输入端。信号从300 kHz扫描到100 MHz。 图5显示了关闭隔离结果。在 10 MHz 时，200mV 信号的关断隔离度约为 –50 dB。使用 2-Vpp 信号时，保护二极管完全导通。大部分输入信号馈送到输出端，关断隔离度仅为–29 dB。这将在需要高度关断隔离的多路复用应用中产生不利影响，例如雷达检测。

图4.关断隔离测试电路

图5.AD8021关断隔离，输入信号为+10 dBm和-10 dBm

要解决此问题，首先尝试通过选择具有更高差分电压额定值的放大器来避免它。不幸的是，放大器可能已被许多其他参数选择（差分输入保护不是其中之一）。放大器数据手册的绝对最大额定值部分通常显示其最大差分输入电压。如果规格小于±Vs，则提供一些片内输入保护。电压越低，电路在关断隔离时性能下降的可能性就越大。表1显示了所选放大器的差分输入电压额定值。

表I. 所选高速运算放大器的最大差分电压额定值

 

部件号	最大差分电压 （V）
AD8021	±0.8
AD8007	±1
ADA4899， AD8010，   AD8036，   AD8037	±1.2
AD8027， AD8029，   AD8099	±1.8
AD8055， AD8014，   AD8051	±2.5
AD8023， AD8024	±3
AD8031， AD8041	±3.4
AD8005	±3.5
AD8057， AD8038，   AD8000	±4
AD826	±6
AD845， AD8061，   AD8003，   AD8045，   ADA4860	±V

 

在高速放大器AD8038上重复关断隔离测试，其差分电压额定值为±4 V，是AD8021的五倍。较大的输入电压额定值意味着输入保护二极管正向偏置需要更大的信号。图6显示，AD8038在57 MHz时提供–10 dB的关断隔离，放大器输入端具有2 Vpp信号，与AD28相比，关断隔离度提高了8021 dB。

图6.AD8021和AD8038关断隔离，输入信号为+10 dBm

如果指定的放大器具有较低的差分输入电压额定值，则在不同的配置中使用它会有所帮助。电压跟随器具有最高的馈通量。更好的选择是在具有增益的同相配置中使用放大器。反馈电阻与负载形成分压器，在输出端提供馈通信号的衰减。反馈电阻越高，衰减水平越高。但是，不要过多地增加反馈电阻，因为这会增加噪声和失调电压，并且在某些情况下还会降低稳定性。图7比较了AD8021的关断隔离，AD1配置为+2和+2增益，输入端施加2 Vpp。如图所示，与电压跟随器配置相比，增益为6的配置在关断隔离方面提高了<> dB。

图7.AD8021关断隔离，增益为+1和+2

一种更具戏剧性的方法是在放大器输出端使用串联模拟开关，例如ADG701。ADG701将放大器输出与负载完全断开，确保在55 MHz时关断隔离约–10 dB，与AD8021提供200 mVpp输入信号的关断隔离相当。当设计要求放大器具有关键交流参数，但没有足够的差分输入电压额定值时，添加开关是一个不错的选择。

具有片内输入保护功能的放大器可在大多数应用中实现无故障运行。然而，在极少数情况下，输入保护实际上可能会引入问题。如果发生这种情况，请首先检查最大差分输入电压规格。如果较低，请考虑使用额定值较高的放大器，改变电路拓扑或添加串联开关。所有这些选项都将减少馈通量并改善关闭隔离。

审核编辑：郭婷