OP放大器应用技巧100例
第2节 OP放大器的保护电路和容性负载
更新于2008-08-28 20:19:04

7.当驱动负载时使用容性负载强的OP放大器

在通用OP放大器中, 有容性负载强的OP放大器。容性负载是引起OP放大器振荡的原因, 容性负载强的OP放大器是在输出电路上下了功夫。一般, 在OP放大器(特别是缓冲电路)的输出上加100pF, 就可以引起振荡(照片1.1)。连接示波器的探针时所引起的振荡, 就属于这种情况。因为探针上有数十皮法的电容。
但是, 有些通用OP放大器有额定的容性负载值


图1.10LF356的输出级——带容性负载强


FET输入型的LF356和μPC811
带容性负载强的OP放大器的数据表上, 第一行就是LF356。过去OP放大器容易引起振荡的原因是有频率特性很差的PNP晶体管。LF356在输出电路上下了功夫, 不再使用PNP晶体管, 如图1.10所示。由P沟道的FET和NPN晶体管构成。结果, 驱动容性负载的能力增强, 即使10 000pF的电容都没有任何问题。
图1.11给出LF356的频率特性。根据频率特性的相位裕度来判断OP放大器是否稳定。无负载时的相位裕度约为60°, 1000pF的负载的相位裕度约为30°, 10 000pF的负载的相位裕度约小于8°, 但不为零。然后, 简单地通过相位补偿就可使用。相位补偿和起振的关系将在第7章详述。
LF356只有单路型。而μPC811则对应有μPC812的双路型。


图1.11LF356的容性负载和频率特性(0.01μF=10 000pF)


双极性输入型的MC34071
LF356是FET输入, 与之相对应的MC34071为双极性输入型, 是容性负载强的通用OP放大器。如图1.12所示, 给出实际的频率特性。无负载时的相位裕度约为44°, 1000pF的负载的相位裕度约为16°, 10 000PF的负载的相位裕度约为10°。
MC34071为单路, MC34072为双路, MC34074为四路。


图1.12MC34071的容性负载和频率特性


8.输出电流为数十毫安以上的OP放大器

在设计模拟电路时, 经常想到, “这个OP放大器的输出电流若能再大一点……就好了。”例如, 作为应变传感器的通常使用的应变仪电源需要数十毫安的电流, 而通常的OP放大器的最大输出电流为10~20mA。所以, OP放大器的输出不能直接与传感器连接。图1.13所示是通过增加晶体管缓冲器来增大输出电流。根据图114可采用多个OP放大器来增大输出电流。该电路使用了2个OP放大器, 其电流增大了2倍。但是, 消耗功率也是2倍, 还要注意散热处理问题。


图1.13增加晶体管缓冲器来增大输出电流

图1.14OP放大器并联来增大输出电流


高速OP放大器的输出电流超过50mA的并不少, 与通用OP放大器相比, 价格贵而不能使用。此时, 需要了解大电流输出的通用OP放大器
AD8532等是CMOS的OP放大器, 最大输出电流为250mA。含有2个回路, 再大输出电流的OP放大器还没有, 根据用途来增加散热器。


9.当输入可能过大时输入保护电路是必要的

一般的, 如果OP放大器的输入端在印制电路版的外部, OP放大器的输入保护电路是必要的。通常, 如图1.15所示, 由电阻R1, 二极管D1, D2构成保护电路。
例如, R1为100kΩ, 输入电压为100V时, 电流限制在1mA。所以, R1的值希望尽可能的大, 但伴随着补偿电压和噪声的增加, 由于输入电容的影响, 将会引起频率特性恶化等一系列问题。
图1.16为无电阻的保护电路。使用2个稳流二极管CD1和CD2, 其最大可耐电压为±100V。


图1.15普通的OP放大器的输入保护电路

图1.16用稳流二极管的输入保护电路


稳流二极管的电压-电流特性如图1.17所示, 外加低电压(肩电压Vk以下)工作时, 稳流二极管相当于一个电阻。以图1.17中E102(Ip=1mA)为例, Vk=1.7V(Ip=1mA的80%时的电压), 其内阻为1.7V/(1mA×0.8)=2.2kΩ。当过电压大于Vk时, 稳流二极管从电阻模式变成限流模式, 此时电流为稳定的1mA


图1.17稳流二极管的电压电流特性(石电子)


当然, 稳流二极管的电流增大时内阻降低, 会使输入电阻降低,这是该电路最大的特征。例如, E102内阻约为2.2kΩ, 而E103的Vk=3.5V(Ip=1mA), 故内阻为3.5V/(10mA×0.8)=440Ω。但是由于稳流二极管的消耗功率变大而不能起过压保护作用。另外, 稳流二极管耐压为100V, 应用时不能超过该值。照片13为输入±80V时点波形, 为了看清楚, 将其波形反相表示。电源电压为±15V, 二极管正相电压为0.7V, 限制了输入电压。
图1.18是使用高耐压的MOS FET保护电路,其FET的型号为LND150N3(500V/IDSS=1~10mA, 原生产厂家: Supertex Inc.), 该电路的输入电流受IDSS制约。当想改变稳流值时, 如图1.19所示。如果这两个FET 的特性一致的话, 则输入电流IIN与在VR1处产生的压降VGS的作用下流经FET的漏极电流ID不等时,该电路达到平衡, 当IIN=ID时, ID比流经VR1的电流要大, 设定在0~IDSS之间。
这里的FET为结型场效应管(即使VGS=0时也有电流流动), 如果使用高耐压的JFET的话, 其保护电路是相同的。


图1.18使用MOS FET的输入保护

图1.19想改变限制电流时


10.OP放大器对外输出时的保护电路

OP放大器对外输出时, 通常加保护电路, 输出保护的目的如下:
① 输出短路保护(过流保护);
② 过压保护(与其他系统接触);
③ 抑制因容性负载而产生的自激振荡。
其中, ①是由OP放大器自身具有的过流保护机能而实现的, 以下将逐一介绍②和③。
通常的输出保护电路如图1.20所示, 电阻R3与二极管D1, D2组成保护回路, 可以限制像噪声那样的过电压。R3越大, 就越耐压, 但输出电流越大(即负载电阻越小)时, 电压降也越大。为了保证必要的输出电压, 通常阻值设在300Ω左右, 二极管为1S1588就可以了。输出短路保护是利用OP放大器的内部电路完成的。


图1.20OP放大器的输出保护电路


为了有效地防止连接容性负载时产生自激振荡,加入了R3与电容C1, 当接入容性负载CL后, 变得容易引起振荡, 频率特性fp为:
fp=12π·CL(r0+R3)≈12π·CL·R3(11)
其中r0为OP放大器的输出电阻。
加入的电容C1用来相位补偿, 粗略考虑, 当满足CLR3<C1R2时, 实现该电路是没有问题的。

 

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