浅析运算放大器进入钳位状态的原理(以LM358为例)

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

运算放大器进入钳位状态的原理(以LM358为例)

虽然各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异，但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部分。

1.差动输入级：以一差分放大器作为输入级，提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。

2.增益级：运算放大器电压增益的主要来源，将输入信号放大转为单端输出后送往下一级。

3.输出级：输出级的需求包括低输出阻抗、高驱动力、限流以及短路保护等功能。

可以看到，所有电路的基本组成单元都是NPN管和PNP管，这些NPN和PNP管由连接到地的P基底隔开，如图2所示，这个基底将所有三极管隔离开。

但是，如果LM358的输入端(PNP的base极)太低，低过P基底一个电压，那么这个偏置电压就会导致电流流经基底，而使得芯片无法正常工作。所以LM358的规格书会规定其输入电压的范围，比如最低不能超过-0.3V。

如图4所标注，PNP管的发射极，P基底和NPN管的集电极构成了一个寄生的NPN管，当运放的输入低于-0.3V时(比如-1V)，寄生的NPN管的发射极比基极低-1V，这个电压足够使得寄生的NPN管导通，从而引起电流从集电极流向基极，这样，原本原本隔离开的两个晶体管之间就有了电气连接，同时与GND之间也有了电气连接，芯片将无法正常工作。

图5用红点标出了LM358所有可能有漏电流的点，以①点为例，当其对地有漏电流时，芯片输出端的PNP管将导通，从而使得芯片输出被钳位到低电平。

不同地点的漏电流会导致不同的运放输出状态，有些可能使得芯片输出为高，有些可能使得芯片输出为低。对于同样的输入，比如IN-输入为-1V，其引起的可能有漏电流的地方也随着芯片layout的不同而不同，一般离得越近的晶体管之间更容易引起漏电流，对于同一系列的芯片，比如LM358和LM358B，由于其裸片的layout不同，对于同样的输入超规格书使用，输出的钳位状态也不同。