防止高速放大器中的輸出極性反轉(zhuǎn)

許多控制回路應(yīng)用要求您避免與輸入相關(guān)的意外極性反轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槿绻粋€(gè)階段的輸出以意想不到的方式改變極性，控制回路的響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在這篇文章中，我將研究這個(gè)問(wèn)題并提出一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)避免它在電路中出現(xiàn)。

什么是極性反轉(zhuǎn)，是什么原因造成的?

讓我們考慮一個(gè)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?，該信?hào)鏈具有一個(gè)由 +-5V 供電的軌到軌輸出 (RRO) 放大器，然后是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器，該放大器具有在 +-5V 電源下運(yùn)行且增益 >1 的雙極輸入級(jí)。在這種情況下，RRO 放大器在輸出接近 +/-5V 時(shí)飽和，這將饋入下一個(gè)放大器。一旦輸出接近 +/-5V，預(yù)計(jì)第二個(gè)放大器也會(huì)飽和。然而，在許多放大器中，如果輸入超出指定的輸入共模范圍，輸出實(shí)際上會(huì)切換到負(fù)軌。.

例如，THS4031是一款 100MHz 低噪聲電壓反饋放大器，具有上述特性，并且包括用于許多高速、低噪聲放大器的 NPN(負(fù)正負(fù))輸入級(jí)。

圖 1：示例電路

當(dāng)我將輸入信號(hào)上升到正軌時(shí)，圖 1 中的電路顯示了以下行為：

圖 2：+-15V 電源下的輸出 v/s 輸入

圖 3：+-5V 時(shí)的輸出 v/s 輸入

如圖 2 和圖 3 所示，當(dāng)輸入共模增加時(shí)，輸出降至飽和電壓以下。這種行為發(fā)生在輸入接近電源軌時(shí)，輸出最終鉗位在負(fù)飽和電平。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入接近電源軌時(shí)，偏置電流也會(huì)激增。在這種情況下，當(dāng)輸入偏置電流超過(guò) 4mA 時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。

防止輸出極性反轉(zhuǎn)

您可以通過(guò)在放大器輸入端使用限流電阻來(lái)防止極性反轉(zhuǎn)，如圖 4 所示。這將在輸入信號(hào)接近正軌時(shí)限制輸入偏置電流，并避免對(duì)內(nèi)部電流偏置產(chǎn)生任何影響來(lái)源。

圖 4：在輸入端添加一個(gè)限流電阻

我測(cè)試了該電路的設(shè)置，以驗(yàn)證輸出端不存在意外的極性反轉(zhuǎn)，如圖 5 和圖 6 所示：

圖 5：帶限流電阻 (+-15V) 的輸出 v/s 輸入

圖 6：帶限流電阻 (+-5V) 的輸出 v/s 輸入

當(dāng)輸入超出共模合規(guī)范圍時(shí)，較大的輸入信號(hào)正擺幅將需要更高的電阻來(lái)限制輸入偏置電流。這將確保通過(guò)輸入晶體管上的正向偏置二極管的電流不超過(guò)在相反方向上出現(xiàn)的偏置電流源。

電阻對(duì)輸出噪聲和帶寬的影響很小(由于放大器的輸入電容)。使用此等式計(jì)算輸出電壓噪聲的增加：

E no =(噪聲增益)*(限流電阻)*(放大器的輸入電流噪聲)+ E rn(電阻噪聲)*噪聲增益。

極性反轉(zhuǎn)最常見(jiàn)的原因是輸入偏置電流增加對(duì)運(yùn)算放大器內(nèi)部電流源的影響。大多數(shù)具有 PNP(正負(fù)正)輸入級(jí)的運(yùn)算放大器系列可以固有地接受負(fù)軌輸入，因此這些器件很少在負(fù)軌輸入處表現(xiàn)出這種行為。具有 NPN 輸入級(jí)的新型高速運(yùn)算放大器在內(nèi)部解決了極性反轉(zhuǎn)問(wèn)題。在這些情況下，極性反轉(zhuǎn)的電壓更接近軌道。例如，OPA842是一款寬帶、低失真、單位增益穩(wěn)定電壓反饋運(yùn)算放大器，在輸入達(dá)到距正軌的 0.15V 以?xún)?nèi)(電路中沒(méi)有限流電阻)之前，它不會(huì)顯示這種行為。

當(dāng)輸入擺幅接近電源軌時(shí)，在輸入端添加一個(gè)限流電阻可以防止極性反轉(zhuǎn)問(wèn)題。