运放保护电路设计

【任务】运放是模拟电路的灵魂核心器件，为使运放工作可靠且寿命达到设计预期，应该对运放采取必要的保护措施。运放作为一种高输入阻抗，高增益的器件，其损坏的原因主要有：电源极性接反，浪涌电压，过压，过载。试对uA741运放进行：极性保护、浪涌电压保护、过压保护、过载保护电路设计。

【构思】极性保护设计的最常用方法是根据二极管的单向导电特性；浪涌电流保护的本质是限制瞬态电流的峰值，这要利用晶体管或场管来实现；过压保护（包括浪涌电压保护）的目的是限制电压峰值，可使用瞬态抑制二极管（TVS），稳压二极管，高速开关管对电压进行限幅；过载保护可避免长时间的大电流或短路电流对运放的伤害，主要通过在过载回路上串联限流电阻或串联条件关断的晶体管（场管）来实现。

假定uA741采用双电源±15V供电，查数据手册可知uA741的以下参数：最大电源电压±22V； 最大输入电压±15V； 最大电源电流2.8mA。设计起始的电路如下图：

一. 极性保护电路

单电源极性保护（防反接）的最简单办法是沿着电源电压方向正向串入一个二极管，但这里的uA741使用了双电源，所以要使用两个二极管。二极管选择：1N4148开关管的最高反向工作电压75V>15-(-15)=30V，正向导通电流150mA>2.8mA(uA最大电源电流)，所以使用1N4148足矣。

可以看出，当±15V接反时，因为二极管无法导通，电源无法加到运放上，从而使运放不至因电源接反而烧毁。

当然，如果还要求即使电源接反了，运放仍然能正常工作，那就要用到桥堆了。试想，无论桥堆的输入端电压方向如何（交流、直流），桥堆的输出电压方向都不变，于是我们可利用桥堆的这个特性实现更加好的防反接电路：

二. 浪涌电压保护

利用JFET的预夹断恒流特性及稳压管的钳位作用限制运放电源的电流，稳压管给JFET限定偏置，JFET串入电源回路。

结型场管Q1，Q2的选择只要保证IDS>2.8mA(运放最大电源电流)即可，稳压管的稳压值限制在15~22V即可：

三. 过压保护

过压与浪涌电压不同，前者是持续性的，后者是瞬态，一过性的。运放需要过压保护的地方有三个：电源端、输入端、输出端，可以在这些地方添加稳压管（单向或双向）或TVS管（单向或双向）对电压进行限幅。由于设计方法类同，兹举反相输入端过压保护的设计（以反相比例放大器为例）：

通过D5、D6两个稳压管的限幅作用，将反相输入端电压限制在±15V以内。

四. 过载保护

众所周知，运放的输入电流微乎其微（高输入阻抗，虚断），因此不存在过载保护的问题，而运放的输出电阻很小（提高了带载能力），因此输出电流是比较大的，应进行过载保护（限制长时间的大电流）。最简单的办法是在运放的输出端串联限流电阻Ro，Ro的取值在50~200Ω之间，我这儿取靠近中间值得100Ω吧。

【结语】上面的保护措施确实比较完善了，但设计电路还得讲究经济性，别做大炮打蚊子，大神护小鬼这样的不划算的赔本买卖。应该抓住主要矛盾，选择紧要处进行保护，不必求全。