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保护断电放大器
作为一名应用工程师，最美好的事情能够接触不同客户，每天有关应用、电路以及问题都能让我有机会学到新的东西。每年，我都会收到一些有趣问题，用户期望了解在放大器在断电之后会怎样，我暂且把这些放大器称作“断电放大器（off-amps）”。
除静电放电（ESD）测试以外，放大器的特性通常为上电之后的特性，因此，断电放大器问题的解决方案往往不是一成不变的。解决断电放大器的问题需要深入理解其内部晶体管级的工作、断电后放大器的情况、连接到断电放大器的外部电路，以及断电后外围电路的状况。
非常奇怪的是，我收到的大多数断电放大器问题都涉及到一个电压——但不是电源电压，这个电压通常施加到断电放大器的输入端或输出端。为了节省功耗，用户可能选择性地关断其系统的某些部分，这常常导致电压施加到系统中未供电的部分。用户通常关心在这种情况下，对断电放大器会有什么影响，以及必须采取什么措施来保证断电放大器的安全。
为了理解如何保护断电放大器，我们必须首先考虑ESD保护二级管，它们是放大器的第一道防线。ESD二极管能够避免放大器受到短时高压的影响，但如果流过二极管的电流未受到限制，那么长期置于直流低压下的二极管将会遭到破坏。图1所示的是带有ESD保护二极管的典型运算放大器。
二极管D1~D7组成了放大器的ESD保护网络。图中虚线内侧±IN之间的二极管构成另外一个保护网络，它们对放大器的输入级进行过压保护1。对于不同的放大器，反并联网络中串联二极管的数量也不同。如果要估计放大器输入之间的二极管数量，请参考放大器数据手册中绝对最大额定值表里的差分输入电压。
放大器断电后，±IN上的电压可开启二极管D1~D4。图1示出了从+IN沿着保护二极管到电源的电流路径，假设存在到地回路。红色迹线为施加正电压到+Vs的路径；蓝色迹线为施加负电压到–Vs的路径。还可画出当断电放大器输出端存在电压时，通过二极管D6和D7，从输出端到电源的相似路径。最重要的安全措施是要限制流进断电放大器引脚的电流。
图1、断电放大器中从＋IN到电源的电流路径
没有电流限制，二极管和放大器就会遭到破坏。我们通常会建议将进入放大器任意引脚的电流限制为5mA或更小，这常常必须增加一个串联电阻。图2所示的是电流限制断电放大器的原理图。在正常工作条件下，Rs对整个电路的功能几乎没有影响。假设在最坏情况下，±Vs引脚接地，可按照如下公式计算Rs：
图2、电流限制断电放大器
在最近一个有关FET输入放大器在断电情况下的问题，用户想要知道当将断电放大器配置成单位增益时，对于直流电压而言，是否在其同向端仍表现出高输入阻抗。
对于这个问题，我的回答比较巧妙，“是，也不是。”这种断电放大器的输入端在电压低于0.6V时仍表现出高输入阻抗，这是因为ESD二极管的导通电压至少是0.6V。因为不存在传导路径，输入端仍然为高阻。然而，如果输入电压大于0.6V，电流会开始流经ESD二极管以及断电放大器中的其它“潜在路径”。如果要限制D3中的电流，请使用公式计算Rs。在最坏情况下，4V电压被施加到断电放大器输入端，Rs至少要大于680欧姆，这绝非高输入阻抗。
在这些应用中，反极性保护是很有效的手段。我以前是一名防护电子设计工程师，总会例行公事的将反极性保护加入到设计中。即使极性错误的电源被连接到系统的偏置引脚，反极性保护也能保证电路安全。增加反极性保护是一项简单、低成本的保护措施，它仅需要一对二极管。如果施加正确的电源极性，这些二极管正向偏置，电路按照期望工作。如果施加相反的电源极性，这些二极管反向偏置。没有电流可以流过，电路因此得到保护。图3所示的是带有反极性保护二极管的放大器。
图3、带有反极性保护二极管的运算放大器
因为二极管增加了电流流通之前所需额外电压降，因此反极性保护二极管还可以在较大输入范围内获得高输入阻抗。外部二极管RPD1巧妙的阻止电流流经D3到＋Vs引脚。对于正电压，RPD1为反向偏置，从而阻止电流流经D3。电流不会经过反向偏置的ESD二极管D4从输入端流到负轨，但是会寻找另一条经过FET输入级PN结的路径。二极管RPD2构成了在任何电流流通前，所需的额外电势垒。
图4所示的是用于测量断电放大器输入阻抗的测试电路。请注意Rs大于公式所需的阻值。这个较大的电阻能更好的限制电流，而且也容易获得。
图4、断电放大器输入阻抗测试电路
图5所示的是不含反极性保护二极管的FET断电放大器的输入阻抗。随着不断增大的偏置将D3导通，输入阻抗逐渐减小。
图5、不含反极性保护二极管的断电放大器的输入阻抗
图6所示的是具有反极性保护二极管的断路放大器在两种不同负载条件下的输入阻抗。请注意图6的Y轴以M欧姆为单位，而不是图5中所用的K欧姆。反极性保护二极管提供三个数量级的提升。拐点表示，随着输入电压的增加，断电放大器中不同的节点被开启。反极性保护二极管有助于增加拐点的阈值。负载阻抗的值是这一应用中的一个重要考虑因素。对地的低阻旁路负载会为电流提供并联的低阻路径，使这个方法无效。因此，用户必须理解断电放大器的工作状况，以及邻近电路的情况。
图6、带有反极性保护二极管的断电放大器的输入阻抗
深入了解断电放大器的问题会面临很多挑战，有许多因素必须考虑，放大器类型、外围电路，以及输入和输出电压都非常重要。保护断电放大器的最好方法是保证任何与断电放大器相连的电路的电源也都是关断的。如果这不可能实现，那么需要限制流入断电放大器的电流。如果您需要其它帮助，请联系应用工程师。
1Amplifier Input Protection... Friend or Foe? John Ardizzoni, Analog Dialogue 41-05, May, 2007
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