运算放大器保护电路设计

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在发电机励磁调节器中，运算放大器主要用在测量比较电路，常用型号有F007、LM324等。为了避免运算放大器因电源电压接反或电源电压突变、输入电压过高、输出电压过大、过载等而遭受损坏，需要设置保护电路。稳压管的稳压值可根据运放允许输入的最大信号峰值来选择，这种输入保护电路的输入电压范围较宽，且输入电阻也较大，故在大信号输入时常用此法。图1-60是将稳压管VS1、VS2对接再连接在运放的反馈电路中。

运算放大器是具有高放大倍数（k0）和深度负反馈的直流放大器，可用来实现信号的组合和运算。它的输出-输入关系仅简单地决定于反馈电路和输入电路的参数，与放大器本身的参数没有很大关系。运算放大器在工业自动控制、模拟计算机和测量装置中应用广泛。在发电机励磁调节器中，运算放大器主要用在测量比较电路，常用型号有F007、LM324等。

为了避免运算放大器因电源电压接反或电源电压突变、输入电压过高、输出电压过大、过载等而遭受损坏，需要设置保护电路。

1.电源反接或电压突变保护

电路如图1-58所示。图1-58（a）为电源反接保护，即在电源引线上分别串联一只二极管VD1、VD2以阻止电流倒流，损坏运算放大器。图1-58（b）为电源电压突变保护，采用稳压管钳位和场效应电流源。稳压管VS1、VS2的击穿电压（稳压值）大于正常工作电压，但小于运放的最大额定电压。正常时，稳压管截止。运放正常工作时，电流低于场效应管VT1、VT2的饱和漏电流IDSS，场效应管处于可变电阻区，故交流电阻很小，电源线上相当于串联一很小的电阻。当电源电压突然增加时，稳压管击穿，将运放电源钳位，从而使场效应管电流提高到IDSS，使漏源电压VDS大于夹断电压|Vp|，场效应管处于饱和区，其交流电阻很大，呈现高阻抗恒流源特性。场效应管承受所超出的电压，从而保护了运放。图中电容C是用来滤除电源的瞬时脉冲电压的。

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图1-58　电源反接和电源突变保护

（a）电源反接保护；（b）电源电压突变保护

2.输入保护

电路如图1-59所示。图1-59（a）为输入钳位保护，在运放的输入端接入电阻R（一般电路中已有此电阻）和反向并联的二极管VD1、VD2，使运放输入电压的幅度限制在二极管的正向压降以下。该保护措施还可以避免在运放中产生自锁现象（即运放输入信号过大而引起输出电压过高，使输出级管子处于饱和或截止。这时放大器不能调零，甚至烧毁运放）。

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图1-59　输入保护

（a）输入钳位保护；（b）差模输入过载保护；（c）采用稳压管保护

图1-59（b）是差模输入过载保护，其保护原理与图1-59（a）相同。要求限流电阻R1与R2相等。

图1-59（a）和（b），输入电压范围为±0.6～±0.7V，缺点是输入电阻降低了。

应注意，二极管所产生的温度漂移会使整个放大器的漂移增加，在要求高的场合要考虑这个问题。

图1-59（c）采用稳压管保护。稳压管的稳压值可根据运放允许输入的最大信号峰值来选择，这种输入保护电路的输入电压范围较宽，且输入电阻也较大，故在大信号输入时常用此法。

3.输出限幅保护

常见的输出限幅（钳位）电路如图1-60所示。图1-60（a）是将稳压管VS1、VS2对接再接在运放的输出端（也常只采用一只稳压管）。图1-60（b）是将稳压管VS1、VS2对接再连接在运放的反馈电路中。这两种保护电路，在运放正常工作时，输出电压Usc小于稳压管的稳压值Vz，该支路不起作用。当输出电压Usc＞Vz＋0.6V时（0.6V为VS1或VS2的正向导通压降），就有一只稳压管反向击穿，另一只正向导通，负反馈加强，从而把输出电压限制在±（Vz＋0.6V）的范围内。应注意，应尽量选择反向特性好、漏电流小的稳压管，否则将会使放大器传输特性的线性度变坏。

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图1-60　常见的输出限幅电路

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