Other Parts Discussed in Post: LM358, LM358B

作者：Howard Zou

運算放大器是指一類專門通過改變外圍器件可以實現不同算數運算的放大器。任何一顆運放都集成了非常多的晶體管，這些晶體管除了構成基本的工作電路，同時也會有實現輸入輸出電壓鉗位等保護功能。但是因為生產工藝的原因，在制造這些保證運放正常工作的晶體管的過程中，不可避免地會引入寄生晶體管和二極管。當運算放大器工作在規格書指定的工作范圍內時，這些寄生晶體管不會對芯片的工作造成影響。然而，如果運放工作在超規格書的范圍時，可能使得芯片的輸出異常，進入輸出鉗位狀態，從而影響電路的正常工作。本文以LM358為例，介紹其進入輸出鉗位狀態的機理，同時提出避免芯片被鉗位的解決辦法。

一、運算放大器進入鉗位狀態的原理（以LM358為例）

        雖然各家廠商推出的運算放大器性能與規格互有差異，但是一般而言標準的運算放大器都包含下列三個部分。

1.差動輸入級：以一差分放大器作為輸入級，提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。

2.增益級：運算放大器電壓增益的主要來源，將輸入信號放大轉為單端輸出后送往下一級。

3.輸出級：輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅動力、限流以及短路保護等功能。

圖1. LM358內部架構圖

可以看到，所有電路的基本組成單元都是NPN管和PNP管，這些NPN和PNP管由連接到地的P基底隔開，如圖2所示，這個基底將所有三極管隔離開。但是，如果LM358的輸入端（PNP的base極）太低，低過P基底一個電壓，那么這個偏置電壓就會導致電流流經基底，而使得芯片無法正常工作。所以LM358的規格書會規定其輸入電壓的范圍，比如最低不能超過-0.3V。

圖2. 運放NPN和PNP管結構示意圖

圖3. LM358的最大電壓范圍

如圖4所標注，PNP管的發射極，P基底和NPN管的集電極構成了一個寄生的NPN管，當運放的輸入低于-0.3V時（比如-1V），寄生的NPN管的發射極比基極低-1V，這個電壓足夠使得寄生的NPN管導通，從而引起電流從集電極流向基極，這樣，原本原本隔離開的兩個晶體管之間就有了電氣連接，同時與GND之間也有了電氣連接，芯片將無法正常工作。

圖4. 運放NPN和PNP管和基底構成寄生NPN管

圖5用紅點標出了LM358所有可能有漏電流的點，以①點為例，當其對地有漏電流時，芯片輸出端的PNP管將導通，從而使得芯片輸出被鉗位到低電平。

圖5. LM358可能有漏電流的點

不同地點的漏電流會導致不同的運放輸出狀態，有些可能使得芯片輸出為高，有些可能使得芯片輸出為低。對于同樣的輸入，比如IN-輸入為-1V，其引起的可能有漏電流的地方也隨著芯片layout的不同而不同，一般離得越近的晶體管之間更容易引起漏電流，對于同一系列的芯片，比如LM358和LM358B，由于其裸片的layout不同，對于同樣的輸入超規格書使用，輸出的鉗位狀態也不同。

二、鉗位狀態可能引起的問題及其避免方法

在實際應用過程中，絕大多數工程師都會避免輸入信號的電壓超過規格書規定的范圍，但是，由于上電順序的影響，運放很容易出現被測量信號比電源信號早上電的情況，從而導致芯片超規格使用從而進入鉗位狀態。

圖6是一個常見的電壓測量電路，LM358B由±5V供電，很容易可以推算出正常工作時Vout=VS1*(-R3/R1)=-250V*(-5.6/820)=1.71V。

圖6. 電壓檢測電路

我們在實際電路中測量，發現實際運放的輸出和芯片的上電順序有關，如表1所示：

表1. LM358和LM358B輸出實測值

可以看到，當運放供電先于被測電壓上電時運放的輸出都是正常的，這是因為在整個過程中芯片的輸入電壓都沒有超過電源電壓，從而符合規格書的應用范圍。當運放供電晚于被測-250V電壓上電，當被測電壓上電而運放未上電時，運放的負輸入端會有一個低于-0.3V的負電壓，根據第一章的分析，可能會導致運放的輸出鉗位到正電源電壓或者負電源電壓。對于LM358而言，其輸出被鉗位到正電源電壓，當供電電源上電后，+5V電源會通過輸出端將LM358的輸入端拉回正電壓，從而使得芯片的輸出恢復正常。而對于LM358B而言，其輸出被鉗位到負電源電壓，當供電電源上電后，-5V電源通過輸出端將LM358B的輸入端拉到更低的電壓（實測為-5.68V），這個電壓比負電源低0.68V，輸出始終被鉗位到負電源電壓附近無法恢復正常。

從上文分析可以看出，不同的鉗位狀態可能導致不同的輸出，由于鉗位狀態和芯片的layout有關，我們無法預知一顆芯片的鉗位狀態，為了避免異常情況，針對輸入電壓可能先于電源電壓上電的情況，我們可以：

1.人為控制上電順序，保證在整個過程中不會出現輸入電壓超規格的情況。

2.在運放的輸入端加對地鉗位二極管，保證在任何上電順序下運放的輸入電壓都不會超規格。

為了驗證方法2，我們在LM358和LM358B的輸入對負電源加入反向鉗位二極管后實測的結果如下：

表2. 加入鉗位二極管后LM358和LM358B輸出實測值

三、結論

1.運放的輸入電壓超過規格書可能導致運放內部寄生晶體管產生漏電流，從而導致芯片的輸出鉗位到正電源或者負電源。

2. 不同的鉗位狀態可能導致同一電路出現不同表現，有些可以正常工作而有些不能。

3. 運放的鉗位狀態和芯片裸片（DIE）的layout有關，即使是同一系列的運放也可能有不同的layout從而導致不同的鉗位狀態，因為芯片裸片的layout是不公開信息，我們無法預知運放的鉗位狀態。為了避免運放因為輸入超規格導致工作異常，我們可以在輸入端對正負電源加鉗位二極管，避免運放輸入超規格，從而保證電路的正常工作。

References

[1]. LM358 DATASHEET (SLOS068X)

[2]. Latch-Up, ESD, and Other Phenomena (SLYA014A)