當今的許多高速運算放大器都具有片內輸入保護功能。在大多數情況下，這種保護對用戶是透明的，但在某些應用中，它可能是電路的致命弱點。本文討論了輸入保護的必要性、其實現及其潛在缺點。它還介紹了利用具有輸入保護功能的放大器的替代方案和電路解決方案。

在高速放大器中可以找到各種形式的輸入保護：共模過壓保護、靜電放電（ESD）保護和輸入差分對保護是一些常見的保護。共模過壓保護主要限制輸入電壓與放大器的安全工作范圍兼容。ESD二極管可保護放大器免受靜電、靜電感應和其他ESD事件的影響。這些片內二極管從運算放大器輸入和輸出連接到電源軌。這保護了放大器，因為ESD電流被路由到電源和旁路電容，而不是通過敏感的有源電路。

運算放大器輸入端的突然電壓變化會使輸入差分對反向偏置，從而導致潛在缺陷、輸入偏置電流增加和失調電壓增加。通過限制基極-發射極結兩端的電壓來保護差分輸入級免受損壞。在一些高速硅工藝中，基極-發射極擊穿電壓（BV.DB。） 可以小至 2 到 3 伏。擊穿電壓與工藝速度成反比，因此工藝越快，擊穿電壓越低。為了可靠運行，必須避免差分對發射極-基極結反向偏置。

當配置為電壓跟隨器時，放大器最容易受到輸入級損壞的影響。實（非理想）放大器輸出無法立即響應輸入端的變化。輸出無法跟蹤輸入意味著差分對的基極-發射極結可能會受到潛在有害的反向偏置過壓條件的影響。圖 1 說明了這一原理。放大器的輸入連接到輸出擺幅為 ±3V 的脈沖發生器。對于此討論，假設脈沖發生器的上升和下降時間遠短于放大器的傳播延遲。當發生器從–3 V轉換到+3 V時，放大器輸入變化非常快，但輸出變化不大，Q5上會產生3.2 V反向偏置。具有額定BV的晶體管.DB。2 至 3 伏，顯然需要輸入保護。

圖1.運算放大器輸入端的快速擺幅會導致Q2上潛在有害的反向偏置

這種保護可以像放大器輸入端兩端的一對背靠背二極管（D1和D2）一樣簡單，如圖2所示。當二極管D1和D2就位時，Q1和Q2兩端的電壓擺幅被限制在約±0.8V，遠低于基極-發射極擊穿電壓。隨著速度較慢的過程，擊穿電壓越高，因此可以串聯添加更多的二極管以增加閾值電壓。例如，如果一個過程的擊穿電壓為4 V，則可以使用三個串聯二極管，閾值約為2.1 V。對于非常慢的過程，反向擊穿電壓足夠高，可以消除輸入保護。為什么不只留下一組二極管并完成它呢？輸入保護的缺點之一是二極管限制了輸入兩端的電壓，因此會對壓擺率產生不利影響。在高速運行時，這不是一個理想的功能。

圖2.背靠背二極管通過限制電壓擺幅來保護Q2

在大多數情況下，輸入保護利大于弊。然而，在極少數情況下，輸入保護可能會導致不良影響。例如，考慮一個未通電但輸入端有信號的放大器。小于幾百毫伏的信號幅度不會出現問題，但大于約400 mV的信號幅度可能會出現問題。輸入信號較大時，輸入保護二極管（D1和D2）將變為正向偏置。通過反饋電阻建立從輸入到輸出到負載的信號路徑，如圖3所示。信號量取決于輸入信號的幅度和頻率。

圖3.無源運算放大器中的輸入保護二極管將輸入信號耦合到輸出端

使用配置為+8021增益的AD1來說明這一原理。如前所述，AD8021在放大器輸入端上包括兩個背靠背二極管。測試電路如圖4所示。在本測試中，將200 mVpp （–10 dBm）和2 Vpp（+10 dBm）信號施加到輸入端。信號從300 kHz掃描到100 MHz。 圖5顯示了關閉隔離結果。在 10 MHz 時，200mV 信號的關斷隔離度約為 –50 dB。使用 2-Vpp 信號時，保護二極管完全導通。大部分輸入信號饋送到輸出端，關斷隔離度僅為–29 dB。這將在需要高度關斷隔離的多路復用應用中產生不利影響，例如雷達檢測。

圖4.關斷隔離測試電路

圖5.AD8021關斷隔離，輸入信號為+10 dBm和-10 dBm

要解決此問題，首先嘗試通過選擇具有更高差分電壓額定值的放大器來避免它。不幸的是，放大器可能已被許多其他參數選擇（差分輸入保護不是其中之一）。放大器數據手冊的絕對最大額定值部分通常顯示其最大差分輸入電壓。如果規格小于±Vs，則提供一些片內輸入保護。電壓越低，電路在關斷隔離時性能下降的可能性就越大。表1顯示了所選放大器的差分輸入電壓額定值。

表I. 所選高速運算放大器的最大差分電壓額定值

在高速放大器AD8038上重復關斷隔離測試，其差分電壓額定值為±4 V，是AD8021的五倍。較大的輸入電壓額定值意味著輸入保護二極管正向偏置需要更大的信號。圖6顯示，AD8038在57 MHz時提供–10 dB的關斷隔離，放大器輸入端具有2 Vpp信號，與AD28相比，關斷隔離度提高了8021 dB。

圖6.AD8021和AD8038關斷隔離，輸入信號為+10 dBm

如果指定的放大器具有較低的差分輸入電壓額定值，則在不同的配置中使用它會有所幫助。電壓跟隨器具有最高的饋通量。更好的選擇是在具有增益的同相配置中使用放大器。反饋電阻與負載形成分壓器，在輸出端提供饋通信號的衰減。反饋電阻越高，衰減水平越高。但是，不要過多地增加反饋電阻，因為這會增加噪聲和失調電壓，并且在某些情況下還會降低穩定性。圖7比較了AD8021的關斷隔離，AD1配置為+2和+2增益，輸入端施加2 Vpp。如圖所示，與電壓跟隨器配置相比，增益為6的配置在關斷隔離方面提高了<> dB。

圖7.AD8021關斷隔離，增益為+1和+2

一種更具戲劇性的方法是在放大器輸出端使用串聯模擬開關，例如ADG701。ADG701將放大器輸出與負載完全斷開，確保在55 MHz時關斷隔離約–10 dB，與AD8021提供200 mVpp輸入信號的關斷隔離相當。當設計要求放大器具有關鍵交流參數，但沒有足夠的差分輸入電壓額定值時，添加開關是一個不錯的選擇。

具有片內輸入保護功能的放大器可在大多數應用中實現無故障運行。然而，在極少數情況下，輸入保護實際上可能會引入問題。如果發生這種情況，請首先檢查最大差分輸入電壓規格。如果較低，請考慮使用額定值較高的放大器，改變電路拓撲或添加串聯開關。所有這些選項都將減少饋通量并改善關閉隔離。

審核編輯：郭婷