今天的许多高速运算放大器都有片上输入保护。在大多数情况下，这种保护对用户是透明的，但在某些应用中，它可能是电路的致命弱点。本文讨论了输入保护的必要性、它的实现及其潜在的缺点。它还提出了利用带输入保护的放大器的替代方案和电路解决方案。

在高速放大器中可以找到各种形式的输入保护:共模过电压保护，静电放电(ESD)保护和输入差分对保护是一些常见的保护形式。共模过电压保护主要限制输入电压与放大器的安全工作范围相兼容。ESD二极管保护放大器免受静电、静电感应和其他ESD事件的影响。这些片上二极管从运放输入和输出连接到电源轨。这可以保护放大器，因为ESD电流被路由到电源和旁路电容器，而不是通过敏感的有源电路。

运放输入端的突然电压变化会使输入差分对反偏置，导致潜在缺陷，增加输入偏置电流和增加失调电压。通过限制基极-发射极连接处的电压来保护差动输入级免受损坏。在一些高速硅工艺中，基极-发射极击穿电压(BV(EBO))可以小到2到3伏。击穿电压与工艺速度成反比，因此工艺越快，击穿电压越低。为了可靠地工作，必须避免差分对发射极-基极结的反向偏置。

当配置为电压跟随器时，放大器最容易受到输入级损坏的影响。真实的(非理想的)放大器输出不能立即响应输入端的变化。输出无法跟踪输入意味着差分对的基极-发射极结可能受到潜在有害的反向偏置过电压条件。图1说明了这一原则。放大器的输入端连接到一个脉冲发生器，输出摆幅为±3v。在此讨论中，假设脉冲发生器的上升和下降时间远短于放大器的传播延迟。当发电机从-3 V转换到+3 V时，放大器输入变化非常快，但输出没有变化，并且在Q2上产生5.3 V的反向偏置。对于额定BV(EBO)为2至3伏的晶体管，显然需要输入保护。

这种保护可以像一对背靠背二极管(D1和D2)穿过放大器输入一样简单，如图2所示。二极管D1和D2就位后，Q1和Q2的电压摆幅被限制在±0.8V左右，远低于基极-发射极击穿电压。速度越慢，击穿电压越高，因此可以串联增加更多二极管以提高阈值电压。例如，如果一个过程有4v的击穿，三个串联二极管可以用于大约2.1 V的阈值。对于非常缓慢的过程，反向击穿电压高到足以消除输入保护。为什么不留下一组二极管，然后把它做完呢?输入保护的缺点之一是二极管限制了输入端的电压，因此会对摆压率产生不利影响。在高速运行时，这不是理想的特性。

在大多数情况下，输入保护利大于弊。然而，在极少数情况下，输入保护可能会导致不良影响。例如，考虑一个没有电源的放大器，但在输入端有一个信号。信号幅度小于几百毫伏不会出现问题，但信号幅度大于约400毫伏可能是有问题的。当输入信号较大时，输入保护二极管(D1和D2)会正向偏置。通过负载的反馈电阻建立从输入到输出的信号路径，如图3所示。信号的量取决于输入信号的幅度和频率。

该原理以增益为+1的AD8021为例进行说明。如前所述，AD8021在放大器输入端包括两个片上背靠背二极管。测试电路如图4所示。在这个测试中，200-mVpp (-10 dBm)和2-Vpp (+10 dBm)信号被应用到输入端。信号被从300千赫扫至100兆赫。图5显示了关闭隔离的结果。在10 MHz时，200 mv信号的关闭隔离度约为-50 dB。随着2-Vpp信号，保护二极管完全打开。输入信号的很大一部分被馈送到输出，并且关闭隔离仅为-29 dB。这将对多路复用应用产生不利影响，例如需要高度关闭隔离的雷达探测。

要解决这个问题，首先要尝试通过选择一个具有更高差分电压额定值的放大器来避免它。不幸的是，放大器可能已经选择了许多其他参数(差分输入保护不是其中之一)。放大器数据表的绝对最大额定值部分通常显示其最大差分输入电压。如果规格小于±v，则提供一些片上输入保护。电压越低，电路越有可能在断开隔离时表现出退化。表1显示了所选放大器的差分输入额定电压。

表1 .所选高速运放的最大差分额定电压

关闭隔离测试在AD8038上重复，AD8038是一种高速放大器，差分额定电压为±4 V，是AD8021的5倍。更大的输入电压额定值意味着需要更大的信号来正向偏置输入保护二极管。图6显示，AD8038在10 MHz时提供-57 dB的关闭隔离，放大器输入端信号为2-Vpp，与AD8021相比，关闭隔离度提高了28 dB。

如果指定的放大器具有低差分输入电压额定值，则在不同的配置中使用它会有所帮助。电压跟踪的器材具有最高的馈通量。一个更好的选择是使用放大器的非反相配置与增益。反馈电阻与负载形成分压器，在输出端提供馈通信号的衰减。更高的反馈电阻导致更高的衰减水平。但是，不要过多地增加反馈电阻，因为这会增加噪声和失调电压，并且在某些情况下，它还会降低稳定性。图7比较了增益为+1和+2的AD8021在输入端施加2- vpp时的关断隔离度。如图所示，与电压跟随器配置相比，增益-2配置在关闭隔离方面提供了6db的改进。

一个更戏剧性的方法是在放大器的输出端使用串联开关，如ADG701。ADG701将放大器的输出与负载完全断开，确保在10 MHz时的关闭隔离度约为-55 dB，与AD8021在200 mvpp输入信号时提供的隔离度相当。当设计要求放大器具有关键的交流参数，但没有足够的差分输入电压额定值时，添加开关是一个不错的选择。

包括片上输入保护的放大器在大多数应用中提供无问题操作。然而，在极少数情况下，输入保护实际上可能会带来问题。如果发生这种情况，首先检查最大差分输入电压规格。如果低，考虑使用更高额定值的放大器，改变电路拓扑，或增加串联开关。所有这些选项都将减少馈通的数量，并提高关闭隔离。