[发明专利]带过压保护的差分放大器和方法

说明书

技术领域

本发明与放大器有关，尤其与提高差分放大器的过压保护有关。

发明背景

绝大多数高压运算放大器采用某种类型的输入过压保护，其中只有 一小部分是“稳健”的，比如那些使用侧向PNP输入级或简单高压结型场 效应晶体管(JFET)输入级的放大器。例如，图1示出了典型的双极差分 输入级，通过在输入的相反方向连接一对二极管D1和D2限制差分电压， 使得该输入级最多可承受大约0.7伏的差分输入电压。但这种保护的代价 是如果输入差分电压的幅值超过0.7伏时，会有非常大的输入电流流过保 护二级管D1和D2。

更复杂的输入级，比如图2和图3所示的共漏共基布局通常没有图 1所示的输入保护二极管，但是它们有内部二极管箝位电路，保护输入 级的双极部分。这种类型的输入级依靠JFET的高击穿电压，并且甚至对 接近满供给电压的差分输入电压也能提供良好的直流(DC)表现(比如 低输入偏置电流)。然而，在使用共漏共基输入级、运用过压保护箝位 电路的运算放大器类型中存在瞬态响应问题。当运用寄生电容值很大的 大输入晶体管时，瞬态响应问题尤其明显。

图2和图3分别示出了输入级电路1A和1B，它们使用了共漏共基的 布局，需要来自晶体管Q3的发射极和晶体管Q4的发射极之间高差分电压 的保护。图2示出了一个完整的运算放大器，包括常规的输入级1A和常规 的输出级2。常规的输出级2可以与本发明的各种改良的输入级(在后面 描述)一起使用。在运算放大器的某些操作模式下，比如在转换(slewing) 操作过程中，可能会出现大输入差分电压。如果差分电压是正的，则高 转换速率输入信号Vin+被施加到图3中晶体管J1的栅极(也就是运算放大 器的同相输入)，晶体管Q3的发射极电压也会以与输入信号Vin+同样的 速度增长。然而，通过反馈元件，晶体管J2的栅极电压Vin-与运算放大器 的输出相连，因此晶体管Q4的发射极电压只会以与运算放大器输出的转 换速率一样的速度增长。如果运算放大器输出级的转换速率远低于Vin+ 的输入信号转换速率，在晶体管Q3和Q4的发射极之间将出现较大的电压 差。在本示例中，晶体管Q4的基极发射极结会被严重地反向偏置。这是 有问题的，因为典型地，在不对晶体管造成永久性损害的前提下，集成 电路双极型晶体管的基极发射极结不能反向偏置超过约2到3伏。

如图3所示，典型的箝位电路可以解决上述对晶体管Q3和Q4造成永 久性损害的问题，其在晶体管Q3和Q4的发射极之间连接了一对二极管组 D11...D1n和D21...D2n。该箝位电路限制晶体管Q3和Q4的发射极之间的 电压差，从而将用于正向转换的晶体管Q4(或用于反向转换的Q3)的基极 发射极结两端的反向偏置电压值限制为低于其允许的最大值。(注意， 如果双极型晶体管被用作输入晶体管对时，不能使用这种类型的箝位电 路，因为该电路会严重地反向偏置与JFET J2对应的双极型晶体管的基极 发射极结。相反地，如果JFET被用作输入晶体管，它们的栅源结通常可 以承受箝位电路引起的反向偏置量。)

不幸的是，图3的箝位电路有一个问题，即它会引起对大栅源寄生 电容Cp1和Cp2的充电，这将会降低运算放大器的输出级的输出转换速率。 当正向转换时，大差分输入信号Vin＝Vin+-Vin-被施加到输入级1B，使 二极管箝位电路D11...D1n接通，限制晶体管Q4基极发射极结两端的反向 偏置电压值。同时，输入晶体管J2的栅源结被反向偏置，寄生电容Cp2被 充电至输入信号Vin的电压值，其中Vin＝Vin+-Vin-减去箝位电路之间的 电压降。当转换限制反相输入电压Vin-慢慢转高时，输入晶体管J2的源电 压跟随它，从而增加晶体管Q4的发射极电压，并接通发射极电压。在那 时，充好电的寄生电容Cp2开始将电量释放到晶体管Q4的发射极。如果 寄生电容Cp2很大，则最终通过晶体管Q4放电的寄生电容放电电流(I_Cpar) 也很大。在这里需要注意的是，在理想情况下，寄生电容较小，晶体管 J1、Q3、Q5和Q6都在正向转换期间传导最大电流以产生再充电电流Iout1， 而晶体管J2和Q4应该完全关断。但由于上述寄生电容器Cp2放电，晶体管 Q4实际上分流了电流Iout1的很大一部分，从而减少了放大器的转换速率。