在某些應用中，可能出現電源電壓以外的電壓驅動(dòng)運算放大器 輸入的情況—這種情況稱(chēng)為過(guò)壓情況。例如，假設運算放大器配置為+15 V正電源和−15 V負電源，則無(wú)論何時(shí)，只要輸入引 腳電壓大于一個(gè)二極管壓降+供電軌電壓（比如±15.7 V），則運算放大器內部ESD保護二極管就可以正向偏置，開(kāi)始傳導 電流。長(cháng)時(shí)間（甚至短時(shí)間內）的過(guò)量輸入電流—如果電流足夠高的話(huà)—便可能會(huì )損壞運算放大器。這種損壞可能會(huì )導 致電氣規格參數偏離數據手冊所保證的限值，甚至導致運算放大器永久性損壞。面對這種可能性，系統設計人員通常會(huì ) 在放大器輸入端添加一個(gè)過(guò)壓保護 (OVP) 電路。因此，難就難在引入OVP電路的同時(shí)不增加誤差（損失系統精度）。

 

過(guò)壓條件是如何發(fā)生的

 

很多不同的情況可能引起過(guò)壓條件?？紤]一個(gè)遠程傳感器位于現場(chǎng)的系統—比如煉油廠(chǎng)內的液體流動(dòng)，并將信號通過(guò)電纜發(fā)送至另一個(gè)物理地點(diǎn)的數據采集電子設備。數據采集電 子信號路徑的第一級通常是配置為緩沖器或增益放大器的運算放大器。該運算放大器的輸入暴露在外界環(huán)境下，因而可 能受過(guò)壓事件的影響—比如電纜損壞導致的短路，或者電纜與數據采集電子設備的錯誤連接。

 

類(lèi)似地，可能導致過(guò)壓條件的情形是：輸入信號（通常在放大器輸入電壓范圍內）突然接收到外部激勵，導致瞬態(tài)尖峰超過(guò)運算放大器的電源電壓。

 

可能導致輸入過(guò)壓條件的第三種情況來(lái)自運算放大器和信號路徑上其它元件的上電時(shí)序。例如，如果信號源（比如傳感器）在運算放大器之前上電，則信號源便可輸出電壓，而此 時(shí)運算放大器電源引腳還沒(méi)有上電。這會(huì )導致過(guò)壓情況，有可能強制過(guò)量電流流經(jīng)運算放大器輸入并到達接地端（未上 電電源引腳）。

 

箝位：一種經(jīng)典的過(guò)壓保護技術(shù)

 

圖1所示是一種OVP（過(guò)壓保護）的常用方法。當輸入信號(VIN) 幅度超過(guò)電源電壓之一加上二極管正向電壓，則二極管（DOVPP或DOVPN）將會(huì )正向偏置，電流將流至供電軌，過(guò)量電流可能會(huì )損壞運算放大器。本應用中， 我們使用了ADA4077—一款精度極高的運算放大器，最大電源范圍為30 V（或±15 V）。

 

箝位二極管是1N5177肖特基二極管，因為它們的正向導通電壓等于大約0.4 V，這比運算放大器輸入靜電放電 (ESD) 保護二極管的正向導通電壓低；因此，箝位二極管將在ESD二極管之前開(kāi)始傳導電流。過(guò)壓保護電阻ROVP限制了流過(guò)箝位二極管的正向電流，使其保持在最大電流額定值以下，防止受到過(guò)量電流的損害。使用反饋環(huán)路電阻RFB是因為，同相輸入上的任何輸入偏置電流都會(huì )流過(guò)ROVP而產(chǎn)生輸入電壓誤差—增加RFB值可消除誤差，因為它會(huì )在反相輸入端產(chǎn)生一個(gè)相似的電壓。

 

圖1. 用于過(guò)壓保護的經(jīng)典箝位電路。

 

二極管箝位電路的權衡取舍—降低精度

 

雖然圖1中的經(jīng)典電路可以保護運算放大器輸入端，但它會(huì )向信號路徑上引入大量誤差。精密放大器的輸入失調電壓(VOS)通常為微伏等級。例如，ADA4077在−40°C至+125°C的完整工作溫度范圍內的最大VOS為35 μV。添加外部二極管和限流電阻會(huì )引入輸入失調誤差，該誤差經(jīng)常會(huì )比精密運算放大器的固有失調大好幾倍。

 

反向偏置二極管具有反向漏電流，此漏電流從陰極流過(guò)陽(yáng)極。 2 模擬對話(huà) 50-05，2016 年5 月當輸入信號電壓 (VIN) 在供電軌之間的時(shí)候，二極管DOVPP和DOVPN具有反向電壓。當VIN為地電平時(shí)（輸入電壓范圍的中點(diǎn)），經(jīng)過(guò)DOVPN的反向電流大致等于經(jīng)過(guò)DOVPP的反向漏電流。然而，當VCM變?yōu)榈仉娖揭陨匣蛞韵聲r(shí)，其中一個(gè)二極管中流過(guò)的反向電流大于另一個(gè)二極管中流過(guò)的電流。例如，當VCM等于運算放大器輸入電壓范圍的最大值時(shí)—即離正電源2 V（或本電路中的13 V）時(shí)，二極管DOVPN上的反向電壓為 28 V。查閱1N5177二極管的數據手冊可知，這可能會(huì )導致反向漏電流接近100 nA。當反向漏電流從輸入信號端(VIN) 流過(guò)ROVP時(shí)，它會(huì )在ROVP上造成電壓降，看上去就像信號路徑上 輸入失調電壓上升了。

 

另一個(gè)需要擔心的地方是，二極管反向漏電流隨溫度上升而呈指數上升，導致箝位OVP電路的失調電壓懲急劇上升。圖2是一個(gè)不帶外部過(guò)壓電路的運算放大器，以此作為對照基準，該 圖顯示了ADA4077在−13 V至+13 V輸入電壓范圍內的失調電壓測量值。在三個(gè)溫度下進(jìn)行測量：25°C、85°C和125°C。注 意在25°C時(shí)，本測試中的ADA4077 VOS僅達到了6 μV；哪怕在125°C，VOS也只有大約20 μV。當我們把外部箝位OVP電路加入同一個(gè)ADA4077器件，并在VIN端施加輸入電壓時(shí)，可以看到如圖3所示的結果。在室溫下，VOS跳躍至30 μV—是單個(gè)ADA4077信號路徑誤差的5倍。在125°C時(shí)，VOS超過(guò)15 mV—等于A(yíng)DA4077 20 μV的750倍之多！精度下降了。

 

圖2. 輸入失調電壓與ADA4077輸入電壓的關(guān)系。

 

圖3. ADA4077添加OVP箝位電路后輸入失調電壓與輸入電壓 的關(guān)系。

 

在過(guò)壓條件時(shí)，5 kΩ電阻很好地保護了箝位二極管和運算放大器，但正常工作時(shí)，若二極管在它兩端有漏電流產(chǎn)生，則會(huì )引入較多的失調誤差（更不要說(shuō)來(lái)自電阻的約翰遜噪聲了）。我們需要的是動(dòng)態(tài)輸入電阻，它在額定的輸入電壓范圍內工作時(shí)具有低電阻，但在過(guò)壓條件下具有高電阻。

 

滿(mǎn)足要求的集成式解決方案

 

ADA4177 是一款高精度運算放大器，集成過(guò)壓保護。集成式ESD二極管用作過(guò)壓箝位，保護器件。耗盡型FET位于ESD二極管之前，與各個(gè)輸入端串聯(lián)連接。它們具有動(dòng)態(tài)電阻，會(huì )隨著(zhù)輸入電壓 (VCM) 超過(guò)電源電壓而增加。隨著(zhù)輸入電壓上升，內部FET的漏極-源極電阻 (RDSON) 增加，從而限制了跟隨電壓的上升而呈指數增長(cháng)的電流（參見(jiàn)圖4）。由于A(yíng)DA4177在輸入端采用耗盡型FET，并且由于它不是一個(gè)串聯(lián)保護電阻，因此運算放大器不會(huì )在電阻兩端產(chǎn)生箝位OVP電路那樣的失調電壓?jiǎn)?wèn)題。

 

圖4. ADA4177輸入偏置電流隨過(guò)壓的增加而受限。

 

ADA4177輸入可耐受電源電壓以上最高32 V的電壓。它將過(guò)壓電流限制在10 mA至12 mA（典型值）范圍內，從而不使用任何外部元件即保護了運算放大器。如圖5所示，哪怕在125°C 時(shí)，該被測單元的失調電壓也只有40 μV。該值為箝位電路在此溫度下誤差值的3%都不到。精度性能得到了保留！

 

圖5. ADA4177采用集成式OVP時(shí)輸入失調電壓與輸入電壓的 關(guān)系。

 

這對系統性能而言意味著(zhù)什么

 

分析輸入電壓的變化對信號路徑精度的影響時(shí)，系統設計人員會(huì )考慮放大器的共模抑制比 (CMRR)。它表示輸出端能抑制多少共模輸入電壓（或者通過(guò)了多少）。由于運算放大器通 常配置為提供輸入與輸出之間的增益，因此我們以輸入失調電壓變化為參照歸一化CMRR規格（即輸出變化除以放大器 閉環(huán)增益）。共模抑制比是一個(gè)正數值，以dB為單位，計算公式如下：

 

CMRR = 20 log (ΔVCM/ΔVOS)

 

從這個(gè)比值中可以看到，有必要保持VOS盡量低。ADA4177額定值在完整的工作溫度范圍內保證具有125 dB最小CMRR限值。通過(guò)本實(shí)驗中被測單元的測試結果可以計算并對比箝位 電路和ADA4177的CMRR。表1顯示了使用經(jīng)典箝位二極管電路時(shí)精度的極大損失，以及集成FET過(guò)壓保護的ADA4177的 出色CMRR性能。

 

表1. ADA4177與帶箝位二極管的分立式OVP的CMRR對比

 

 

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