运算放大器的保护环设计

关于运放保护环在弱信号放大的情况下，尤其是对弱电流放大的情况下，有可能需要在运放的输入端加一个保护环（guardring，或称屏蔽环)，目的是抑制漏电流对运放输入端造成影响。先说漏电流的形成。所谓漏电流，也是电流，它的形成也不外乎电压和电阻，这里的电压是比较复杂，包括运放供电的电压，也包括信号的电压和外界干扰的电压。这里的电阻是漏电阻，是指两个网络节点在理想情况下应该是无穷大的实际电阻，漏电阻可能在几百兆或上百G欧姆范围。影响漏电阻的因素有PCB的材料、劣质的PCB走线层及PCB的污染，PCB的污染包括电路板表层的油污、空气潮湿、助焊剂和电路板清洗剂等，这些物质的存在会形成漏电流路径。比如说，5V的供电电源处于输入引脚处之间的电压是5V，由于电路板污染的存在，它们之间的漏电阻为100G欧，那么形成的漏电阻就是50pA，这个数值可能比高精度运放的偏置电流大几十倍，这就是为什么要抑制漏电流的原因。对于直流来说，影响可能还能校正过来，但外界的干扰或被测信号的影响来说，那可能是致命的，无法校正的。漏电流的抑制方法。这个方法就是加保护环，保护环的添加有几个注意点及其原因：一是保护环与被保护对象的电位要相等或接近，目的是减小压差，在保护环内电位基本相等，从而减小漏电流，这是针对环内来说的。二是保护环要接到尽量低的阻抗点上，即被低阻抗的源所驱动。这一点是针对环外来说的，如果外界对保护环有漏电流，那么电流通过低阻抗源可以更容易导走，而不至于过多地影响环的电位。如下图所示，它是AD公司推荐的两种接法，前者是反相放大形式的接法，由于同相端接地，它的阻抗是0，所以保护环绕反相端保护，而接到同相端；后者是同相放大形式的接法，同相端的阻抗是很大的，所以相比之下，把保护环保护同相端而接到反相端更好。后面的图是保护环的画法。下面的图是LT公司的接法，我觉得用这种跨电阻的方式来留出保护环空间的方法挺不错的，但还没想到充分的理由。三是要尽量把被保护对象包起来，包括上下左右各个方向，建议用多层板。有人说，芯片引脚下面有没有必要也铺一层铜，连到保护环上？我个人觉得如果有条件还是要尽量这样做。因为，垂直运放引脚的焊盘方向，它的面积最大，从下面（顶层下面的中间层）过来的信号会更容易通过电路板材料（如X4R等介质材料）像焊盘注入漏电流。当然，中间层不存在污染问题，如果相比顶层的污染来说，这些微不足道，那也可以不加，毕竟多层板会增加成本。