JFET 構成的運算放大器輸入過壓保護電路設計

熊凌霄，王 靖，胡程源，李 威

（電子科技大學集成電路科學與工程學院，成都 611731）

1 引言

隨著集成電路產業的快速發展，電路系統結構的復雜性不斷增加，對模擬集成電路系統中不可或缺的運算放大器的性能要求也在不斷提高[1]。而在運算放大器的應用場景中，難免出現輸入端電壓過大導致運算放大器遭到損傷的情況。一旦運算放大器的輸入電壓超過電源電壓或者規定的輸入共模電壓范圍，其輸入端非常容易產生大電流，從而破壞電路[2]。因此，運算放大器中的輸入過壓保護電路的作用是當輸入電壓過大時對產生的過壓電流進行限制。傳統且最常見的過壓保護方法是添加輸入端口到正負電源的鉗位二極管以及一個限流電阻，以防止輸入電流的急劇上升[3]。然而此方法同時也會引入額外的噪聲，且降低運放整體的共模抑制比[4]。針對上述問題，設計一種主要由JFET 以及鉗位二極管組成的運算放大器輸入過壓保護電路。

2 傳統過壓保護電路結構缺陷

傳統運放的輸入過壓保護電路結構如圖1 所示。該結構由限流電阻RIN以及兩個鉗位二極管組成。電路在進行過壓保護時，電阻電流與輸入電壓幾乎呈線性關系，并不能很好地限制過壓電流的大小。雖然設計者可以通過加大電阻阻值來得到更好的限流效果，但這無疑會引入更大的電阻熱噪聲，從而影響運放的精度[5]。

圖1 傳統過壓保護電路

此外，由于正常輸入時，鉗位二極管都會存在一定漏電流，一旦連接到正負電源的鉗位二極管漏電流不相等，其差值流過限流電阻產生的壓降將表現為失調電壓，進一步降低運算放大器的性能。

3 新設計結構及原理

相對于傳統過壓保護電路存在的缺陷，新設計具有結構簡單、限流能力強的特點，能夠限制過壓電流的大小，使其飽和，且在正負過壓情況下飽和過壓電流的大小一致。

3.1 電路結構

新設計的運算放大器輸入過壓保護電路結構如圖2 所示，圖中只給出同相輸入端的過壓保護電路。定義VIN為運算放大器AMP 的輸入過壓保護電路的輸入端口IN 的電壓，VOUT為被保護運算放大器AMP 的輸入端口IO 的電壓。保護電路能在VIN超過電源電壓范圍時限制住端口IO 流入或者流出的電流的大小。

圖2 新設計電路同相輸入端保護電路

整個電路包括三個P 溝道JFET 以及兩個鉗位二極管。假設三個P 溝道JFET 的溝道夾斷電壓都等于VT，且鉗位二極管的導通電壓都等于VON。

在輸入端口電壓處于AMP 正常輸入范圍內時，VIN直接通過J1的漏源極傳輸到AMP 的輸入端口IO。為了減少過壓保護電路帶來的噪聲影響，J1具有極高的寬長比，使得J1導通電阻非常低[6]，VIN幾乎可以無損地傳輸到VOUT。相反，J2和J3的寬長比相等且極小，因此J2以及J3的導通電阻極大。

3.2 過壓保護機制

當輸入端口電壓高于正電源電壓值與D1正向導通電壓值之和時，為正向過壓情況，過壓保護機制啟動。當VIN高于該臨界值后，D1導通，形成從IN 端口到正電源的電流通路。

如圖3 所示為正向過壓情況下的過壓電流示意圖。此時整個過壓電流有兩條路徑。圖中I1表示正向過壓下過壓電流的正向第一電流組成部分，從IN開始，經過J1的漏源極，再經過D1到正電源。圖中I2表示正向過壓下過壓電流的正向第二電流組成部分，從IN 開始，經過的J2源漏極和J3的源漏極，再經過D1到正電源。

圖3 正向過壓時過壓電流的組成

在正向過壓狀態下，由于三個P 溝道JFET 的柵極各自相連，且沒有其他電流通路，故三個JFET的柵極都不可能產生寄生二極管的導通電流。因此，柵極電壓會始終跟隨VIN、VOUT兩者中的較大者，即：

此時，VOUT在鉗位二極管的作用下，電壓固定在：

柵極電壓與VOUT壓差足夠大之后，將造成J1以及J3溝道夾斷，進而使得整個過壓電流達到飽和[7]。此時J1的電流即正向第一電流組成部分的大小為[8]：

而J3夾斷之后也會限制J2的電流，故正向第二電流組成部分的大小為：

由于J1與J3寬長比的差距，正向第一電流組成部分的大小遠大于正向第二電流組成部分的大小。

當輸入端口電壓低于負電源電壓值與D2正向導通電壓值之差時，為負向過壓情況，過壓保護機制也會啟動。由于保護電路的對稱性，負向過壓情況下的過壓保護機制與正向一致。

當VIN低于負向過壓保護機制啟動臨界值后，D2導通，形成從IN 端口到負電源的電流通路。如圖4所示為負向過壓情況下的過壓電流示意圖。此時整個過壓電流也有兩條路徑：I3表示負向過壓下過壓電流的負向第一電流組成部分，從負電源開始，經過D2，再經過J1的源漏極到IN；I4表示負向過壓下過壓電流的負向第二電流組成部分，從負電源開始，經過D2，再經過的J3漏源極和J2的漏源極到IN。

圖4 負向過壓時過壓電流的組成

在負向過壓狀態下，三個P 溝道JFET 的柵極也不可能產生電流。柵極電壓依然跟隨VIN、VOUT兩者中的較大者，即：

負向過壓時，VOUT在鉗位二極管的作用下，電壓固定在：

當VIN電壓足夠低之后，柵極電壓與VIN壓差過大，將造成J1以及J2溝道夾斷，進而使得整個過壓電流達到飽和。此時J1的電流亦即負向第一電流組成部分的大小為：

而J2夾斷之后也會限制J3的電流，故負向第二電流組成部分的大小為：

由于J1與J2寬長比的差距，負向第一電流組成部分的大小遠大于負向第二電流組成部分的大小。

I1和I3都是J1溝道夾斷后的飽和電流，且在正負過壓的VIN絕對值相等的情況下，正向過壓時J1的柵源電壓等于負向過壓時J1的柵漏電壓，亦即I1與I3大小相等：

I2、I4分別為J3、J2溝道夾斷后的飽和電流，且在正負過壓的輸入端口電壓絕對值相等的情況下，正向過壓時J3的柵漏電壓等于負向過壓時J2的柵源電壓，亦即I2與I4大小相等：

因此在正負過壓的輸入端口電壓絕對值相等的情況下，過壓電流大小相等，方向相反，即正負過壓情況下的過壓電流具有對稱性。

4 仿真結果與分析

基于4μm 雙極工藝，使用Cadence 軟件搭建電路，對所設計運算放大器的輸入過壓保護電路進行仿真。首先將輸入過壓保護電路拿出運算放大器，進行單獨仿真，讀取其白噪聲結果并與傳統的不同阻值電阻加鉗位二極管的輸入過壓保護電路的噪聲結果進行對比。仿真對比結果如表1 所示。

表1 新舊結構噪聲對比

結果表明，通過合理選取J1的寬長比，新結構能夠得到與傳統過壓保護結構相當甚至更低的噪聲。J1寬長比尺寸也直接關系其導通電阻以及飽和過壓電流的值，寬長比越大導通電阻與噪聲越小，過壓飽和電流的值也將越大。

在此基礎上對電路的保護能力進行仿真。取電源電壓為±5V 雙電源，對輸入電壓在±20V 之間進行掃描，讀取IN 端口的過壓電流，并以不同阻值電阻加鉗位二極管過壓保護電路的IN 端口的過壓電流為對照。得到仿真結果如圖5 所示。

圖5 過壓電流隨VIN 變化曲線

結果顯示，新設計電路結構能夠有效抑制過壓電流并使之飽和，而傳統的電阻加鉗位二極管過壓保護電路的過壓電流會一直隨輸入電壓增大而增大，且在高輸入電壓時過壓電流將非常大。

以同樣的仿真條件，讀取J1的漏端電流以及J2、J3的源端電流，結果如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 J1 漏端電流隨VIN 變化曲線

圖7 J2 源端電流隨VIN 變化曲線

圖8 J3 源端電流隨VIN 變化曲線

仿真結果顯示，由于J1極大寬長比與J2、J3極小寬長比之間的差距，無論正過壓還是負過壓情況下，J1的飽和電流始終遠高于J2、J3。而J2、與J3的電流始終保持一致，且正負過壓情況下三個JFET 的各自電流具有高度對稱性，與理論分析完全相符。

5 結束語

采用JFET 器件設計的運算放大器的輸入過壓保護電路相較于傳統過壓保護電路而言，過壓電流更低，且所設計電路利用JFET 溝道夾斷的原理有效限制了過壓保護電流的增長并使之飽和，能夠在相等甚至更低的噪聲的條件下極大提升電路的過壓保護能力。設計時需要在飽和電流值和噪聲之間折中，這主要取決于J1管的寬長比大小。通過仿真結果可以得到，該電路功能正確，滿足設計要求。