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)。這是因為如果一個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)會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在這篇文章中，我將研究這個問題并提出一種簡單的方法來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?

讓我們考慮一個信號鏈示例，該信號鏈具有一個由 +-5V 供電的軌到軌輸出 (RRO) 放大器，然后是另一個驅(qū)動放大器，該放大器具有在 +-5V 電源下運行且增益 >1 的雙極輸入級。在這種情況下，RRO 放大器在輸出接近 +/-5V 時飽和，這將饋入下一個放大器。一旦輸出接近 +/-5V，預(yù)計第二個放大器也會飽和。然而，在許多放大器中，如果輸入超出指定的輸入共模范圍，輸出實際上會切換到負軌。.

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(負正負)輸入級。

圖 1：示例電路

當我將輸入信號上升到正軌時，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 時的輸出 v/s 輸入

如圖 2 和圖 3 所示，當輸入共模增加時，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，輸出最終鉗位在負飽和電平。請注意，當輸入接近電源軌時，偏置電流也會激增。在這種情況下，當輸入偏置電流超過 4mA 時，輸出會出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。

防止輸出極性反轉(zhuǎn)

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

圖 4：在輸入端添加一個限流電阻

我測試了該電路的設(shè)置，以驗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

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

電阻對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)最常見的原因是輸入偏置電流增加對運算放大器內(nèi)部電流源的影響。大多數(shù)具有 PNP(正負正)輸入級的運算放大器系列可以固有地接受負軌輸入，因此這些器件很少在負軌輸入處表現(xiàn)出這種行為。具有 NPN 輸入級的新型高速運算放大器在內(nèi)部解決了極性反轉(zhuǎn)問題。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)定電壓反饋運算放大器，在輸入達到距正軌的 0.15V 以內(nèi)(電路中沒有限流電阻)之前，它不會顯示這種行為。

當輸入擺幅接近電源軌時，在輸入端添加一個限流電阻可以防止極性反轉(zhuǎn)問題。