如何保护非放大器

作为一名应用工程师，最好的事情是我遇到的各种各样的客户、应用、电路和问题，所有这些都为我提供了每天学习新事物的机会。每年我都会收到几个问题，询问用户在电源关闭时可能期望从我们的放大器获得什么样的性能。我喜欢将这些放大器称为“非放大器”。

除静电放电（ESD）测试外，放大器始终具有通电特性，因此解决非放大器问题并不总是一截了当。回答非放大器问题需要详细了解放大器的内部晶体管级工作原理、非放大器在没有电源的情况下的行为、连接到非放大器的外部电路以及该外围电路在没有电源的情况下的行为。

奇怪的是，我收到的大多数非放大器问题都涉及电压，但不是电源电压。目标电压通常是施加到失放输入或输出的电压。为了节省电力，用户将有选择地关闭其系统的某些部分。这通常会导致电压施加到系统的未供电部分。用户通常有兴趣了解失放对这种错误电压的反应，以及他们必须采取哪些预防措施来确保失放的安全。

要了解如何保护非放大器，我们必须首先查看ESD保护二极管，这是放大器的第一道防线。ESD二极管可保护放大器免受短时间高压的影响，但如果流经它们的电流不受限制，则长时间暴露在低直流电压下可能会损坏或破坏。图1所示为带有ESD保护二极管的典型运算放大器。

二极管D1至D7构成放大器的ESD保护网络。±IN之间的虚线内所示的二极管构成了另一个保护网络，可保护放大器输入级免受过压情况的影响1.反并联网络中串联二极管的数量因放大器而异。要估计放大器输入之间的二极管数量，请查看放大器数据手册中绝对最大额定值表中的差分输入电压。

当放大器电源关闭时，±IN上的电压可以打开二极管D1至D4。图1显示了从+IN通过保护二极管到电源的电流路径，假设存在一条接地返回路径。红色迹线表示正电压至+Vs的路径;蓝色迹线显示负电压至–Vs的路径。在失放输出端存在电压的情况下，可以通过二极管D6和D7从输出到电源绘制类似的路径。最重要的安全预防措施是限制进入失放引脚的电流。

图1.从+IN到电源的失放电流路径

如果没有电流限制，二极管和放大器可能会损坏或损坏。我们通常建议将进入任何放大器引脚的电流限制在5 mA或更低。通常，必须添加的只是一个串联电阻器。图2所示为限流离放的原理图。在正常工作条件下，Rs对整个电路功能几乎没有影响。假设最坏情况是±Vs引脚接地，计算Rs，如下式所示：

图2.限流失放

在最近另一项涉及FET输入放大器的离放调查中，用户想知道配置为单位增益的离放是否仍会在同相输入端对直流电压产生高输入阻抗。

我像外交官一样回答：“是也不是。对于小于0.6 V的电压，非放大器输入具有高输入阻抗，因为ESD二极管至少需要0.6 V才能导通。如果没有传导路径，输入仍显示为高阻抗。但是，如果输入电压大于0.6 V，电流将开始流过ESD二极管和失放内的其他“潜行路径”。要限制 D3 中的电流，请使用方程求解 Rs。如果对非放大器输入施加4 V的更差情况，则Rs必须至少为680欧姆，而不是高输入阻抗。

反极性保护可以在这些应用中提供帮助。作为国防电子的前设计师，反极性保护是我经常在设计中加入的东西。反极性保护可确保电路安全，即使将错误的极性电源连接到系统的偏置引脚也是如此。结合反极性保护是一种简单、低成本的保险单;只需要一对二极管。如果应用正确的电源极性，二极管将正向偏置，电路按预期工作。如果施加相反的电源极性，则二极管反向偏置。没有电流可以通过，电路受到保护。图3所示为带有反极性保护二极管的放大器。

图3.具有反极性保护的运算放大器

反极性保护二极管还允许在更大的输入范围内实现高输入阻抗，因为二极管增加了额外的压降，在电流流动之前必须克服这个压降。防止电流通过D3流向+Vs引脚，由外部二极管RPD1优雅地实现。对于正电压，RPD1 反向偏置，因此防止电流流过 D3。电流不会通过反向偏置的ESD二极管D4从输入流向负轨，而是通过FET输入级的PN结寻求另一条路径。二极管RPD2形成一个额外的电压势垒，在任何电流流动之前必须克服该势垒。

图4所示为用于测量离放输入阻抗的测试电路。请注意，Rs 大于等式所需的值。较大的电阻器进一步限制了电流，同样重要的是，它在实验室中很容易获得。

图4.失放输入阻抗测试电路

图5显示了不带反极性保护二极管的FET离型放大器的输入阻抗。输入阻抗随着偏置的增加使D3更难导通而减小。

图5.无反极性保护二极管的失放输入阻抗

图6显示了在极性反接保护二极管就位的情况下两种不同负载条件下的输入阻抗。请注意，图 6 中的 Y 轴以 M 欧姆为单位，而不是图 5 中使用的 K 欧姆。反极性保护二极管提供了三个数量级的改进。断点表示随着输入电压的增加，功放内的不同结点被打开。反极性保护二极管有助于提高断点的阈值。负载阻抗值是本应用中的一个重要考虑因素。低阻抗并联负载接地将为电流提供并联的低阻抗路径，并使这种方法毫无用处。因此，用户必须了解失放在没有电源时的行为，以及相邻电路的行为。

图6.带反极性保护二极管的失放输入阻抗

深入了解非放大器问题可能具有挑战性，必须考虑许多因素。放大器类型、外围电路以及输入和输出电压都很重要。保护失放的最佳方法是确保与失放接触的任何电路的电源也处于关闭状态。如果无法做到这一点，请确保限制进入失放的电流。如果您需要其他帮助，请务必咨询应用工程师。

审核编辑：郭婷