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撔盘?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 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(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 以內(nèi)(電路中沒有限流電阻)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)問題。