運放輸出鉗位機(jī)理及避免辦法
發(fā)布時間:2020-12-14 來源:Howard Zou 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】運算放大器是指一類專門通過改變外圍器件可以實現(xiàn)不同算數(shù)運算的放大器。任何一顆運放都集成了非常多的晶體管,這些晶體管除了構(gòu)成基本的工作電路,同時也會有實現(xiàn)輸入輸出電壓鉗位等保護(hù)功能。但是因為生產(chǎn)工藝的原因,在制造這些保證運放正常工作的晶體管的過程中,不可避免地會引入寄生晶體管和二極管。當(dāng)運算放大器工作在規(guī)格書指定的工作范圍內(nèi)時,這些寄生晶體管不會對芯片的工作造成影響。然而,如果運放工作在超規(guī)格書的范圍時,可能使得芯片的輸出異常,進(jìn)入輸出鉗位狀態(tài),從而影響電路的正常工作。本文以LM358為例,介紹其進(jìn)入輸出鉗位狀態(tài)的機(jī)理,同時提出避免芯片被鉗位的解決辦法。
一、運算放大器進(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)的運算放大器都包含下列三個部分。
1.差動輸入級:以一差分放大器作為輸入級,提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。
2.增益級:運算放大器電壓增益的主要來源,將輸入信號放大轉(zhuǎn)為單端輸出后送往下一級。
3.輸出級:輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動力、限流以及短路保護(hù)等功能。
圖1. LM358內(nèi)部架構(gòu)圖
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,如圖2所示,這個基底將所有三極管隔離開。但是,如果LM358的輸入端(PNP的base極)太低,低過P基底一個電壓,那么這個偏置電壓就會導(dǎo)致電流流經(jīng)基底,而使得芯片無法正常工作。所以LM358的規(guī)格書會規(guī)定其輸入電壓的范圍,比如最低不能超過-0.3V。
圖2. 運放NPN和PNP管結(jié)構(gòu)示意圖
圖3. LM358的最大電壓范圍
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)成了一個寄生的NPN管,當(dāng)運放的輸入低于-0.3V時(比如-1V),寄生的NPN管的發(fā)射極比基極低-1V,這個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,原本原本隔離開的兩個晶體管之間就有了電氣連接,同時與GND之間也有了電氣連接,芯片將無法正常工作。
圖4. 運放NPN和PNP管和基底構(gòu)成寄生NPN管
圖5用紅點標(biāo)出了LM358所有可能有漏電流的點,以①點為例,當(dāng)其對地有漏電流時,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。
圖5. LM358可能有漏電流的點
不同地點的漏電流會導(dǎo)致不同的運放輸出狀態(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,對于同一系列的芯片,比如LM358和LM358B,由于其裸片的layout不同,對于同樣的輸入超規(guī)格書使用,輸出的鉗位狀態(tài)也不同。
二、鉗位狀態(tài)可能引起的問題及其避免方法
在實際應(yīng)用過程中,絕大多數(shù)工程師都會避免輸入信號的電壓超過規(guī)格書規(guī)定的范圍,但是,由于上電順序的影響,運放很容易出現(xiàn)被測量信號比電源信號早上電的情況,從而導(dǎo)致芯片超規(guī)格使用從而進(jìn)入鉗位狀態(tài)。
圖6是一個常見的電壓測量電路,LM358B由±5V供電,很容易可以推算出正常工作時Vout=VS1*(-R3/R1)=-250V*(-5.6/820)=1.71V。
圖6. 電壓檢測電路
我們在實際電路中測量,發(fā)現(xiàn)實際運放的輸出和芯片的上電順序有關(guān),如表1所示:
表1. LM358和LM358B輸出實測值
可以看到,當(dāng)運放供電先于被測電壓上電時運放的輸出都是正常的,這是因為在整個過程中芯片的輸入電壓都沒有超過電源電壓,從而符合規(guī)格書的應(yīng)用范圍。當(dāng)運放供電晚于被測-250V電壓上電,當(dāng)被測電壓上電而運放未上電時,運放的負(fù)輸入端會有一個低于-0.3V的負(fù)電壓,根據(jù)第一章的分析,可能會導(dǎo)致運放的輸出鉗位到正電源電壓或者負(fù)電源電壓。對于LM358而言,其輸出被鉗位到正電源電壓,當(dāng)供電電源上電后,+5V電源會通過輸出端將LM358的輸入端拉回正電壓,從而使得芯片的輸出恢復(fù)正常。而對于LM358B而言,其輸出被鉗位到負(fù)電源電壓,當(dāng)供電電源上電后,-5V電源通過輸出端將LM358B的輸入端拉到更低的電壓(實測為-5.68V),這個電壓比負(fù)電源低0.68V,輸出始終被鉗位到負(fù)電源電壓附近無法恢復(fù)正常。
從上文分析可以看出,不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致不同的輸出,由于鉗位狀態(tài)和芯片的layout有關(guān),我們無法預(yù)知一顆芯片的鉗位狀態(tài),為了避免異常情況,針對輸入電壓可能先于電源電壓上電的情況,我們可以:
1.人為控制上電順序,保證在整個過程中不會出現(xiàn)輸入電壓超規(guī)格的情況。
2.在運放的輸入端加對地鉗位二極管,保證在任何上電順序下運放的輸入電壓都不會超規(guī)格。
為了驗證方法2,我們在LM358和LM358B的輸入對負(fù)電源加入反向鉗位二極管后實測的結(jié)果如下:
表2. 加入鉗位二極管后LM358和LM358B輸出實測值
三、結(jié)論
1.運放的輸入電壓超過規(guī)格書可能導(dǎo)致運放內(nèi)部寄生晶體管產(chǎn)生漏電流,從而導(dǎo)致芯片的輸出鉗位到正電源或者負(fù)電源。
2. 不同的鉗位狀態(tài)可能導(dǎo)致同一電路出現(xiàn)不同表現(xiàn),有些可以正常工作而有些不能。
3. 運放的鉗位狀態(tài)和芯片裸片(DIE)的layout有關(guān),即使是同一系列的運放也可能有不同的layout從而導(dǎo)致不同的鉗位狀態(tài),因為芯片裸片的layout是不公開信息,我們無法預(yù)知運放的鉗位狀態(tài)。為了避免運放因為輸入超規(guī)格導(dǎo)致工作異常,我們可以在輸入端對正負(fù)電源加鉗位二極管,避免運放輸入超規(guī)格,從而保證電路的正常工作。
References
[1]. LM358 DATASHEET (SLOS068X)
[2]. Latch-Up, ESD, and Other Phenomena (SLYA014A)
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