防止高速放大器中的输出极性反转

许多控制回路应用要求您避免与输入相关的意外极性反转。这是因为如果一个阶段的输出以意想不到的方式改变极性，控制回路的响应会导致系统不稳定。在这篇文章中，我将研究这个问题并提出一种简单的方法来避免它在电路中出现。

什么是极性反转，是什么原因造成的?

让我们考虑一个信号链示例，该信号链具有一个由 +-5V 供电的轨到轨输出 (RRO) 放大器，然后是另一个驱动放大器，该放大器具有在 +-5V 电源下运行且增益 >1 的双极输入级。在这种情况下，RRO 放大器在输出接近 +/-5V 时饱和，这将馈入下一个放大器。一旦输出接近 +/-5V，预计第二个放大器也会饱和。然而，在许多放大器中，如果输入超出指定的输入共模范围，输出实际上会切换到负轨。.

例如，THS4031是一款 100MHz 低噪声电压反馈放大器，具有上述特性，并且包括用于许多高速、低噪声放大器的 NPN(负正负)输入级。

图 1：示例电路

当我将输入信号上升到正轨时，图 1 中的电路显示了以下行为：

图 2：+-15V 电源下的输出 v/s 输入

图 3：+-5V 时的输出 v/s 输入

如图 2 和图 3 所示，当输入共模增加时，输出降至饱和电压以下。这种行为发生在输入接近电源轨时，输出最终钳位在负饱和电平。请注意，当输入接近电源轨时，偏置电流也会激增。在这种情况下，当输入偏置电流超过 4mA 时，输出会出现极性反转。

防止输出极性反转

您可以通过在放大器输入端使用限流电阻来防止极性反转，如图 4 所示。这将在输入信号接近正轨时限制输入偏置电流，并避免对内部电流偏置产生任何影响来源。

图 4：在输入端添加一个限流电阻

我测试了该电路的设置，以验证输出端不存在意外的极性反转，如图 5 和图 6 所示：

图 5：带限流电阻 (+-15V) 的输出 v/s 输入

图 6：带限流电阻 (+-5V) 的输出 v/s 输入

当输入超出共模合规范围时，较大的输入信号正摆幅将需要更高的电阻来限制输入偏置电流。这将确保通过输入晶体管上的正向偏置二极管的电流不超过在相反方向上出现的偏置电流源。

电阻对输出噪声和带宽的影响很小(由于放大器的输入电容)。使用此等式计算输出电压噪声的增加：

E no =(噪声增益)*(限流电阻)*(放大器的输入电流噪声)+ E rn(电阻噪声)*噪声增益。

极性反转最常见的原因是输入偏置电流增加对运算放大器内部电流源的影响。大多数具有 PNP(正负正)输入级的运算放大器系列可以固有地接受负轨输入，因此这些器件很少在负轨输入处表现出这种行为。具有 NPN 输入级的新型高速运算放大器在内部解决了极性反转问题。在这些情况下，极性反转的电压更接近轨道。例如，OPA842是一款宽带、低失真、单位增益稳定电压反馈运算放大器，在输入达到距正轨的 0.15V 以内(电路中没有限流电阻)之前，它不会显示这种行为。

当输入摆幅接近电源轨时，在输入端添加一个限流电阻可以防止极性反转问题。