Защита от перенапряжения с помощью внешнего усилителя: зажим против интегрированного
Высокоточные операционные усилители позволяют разработчикам системы создавать схемы, которые определяют сигналы (усиливают, фильтруют и буферизуют), сохраняя при этом точность исходного сигнала. Когда информация содержится в очень небольших вариациях сигнала, критически важно, чтобы операционные усилители в сигнальном тракте выполняли свою работу, в то же время обеспечивая очень небольшую погрешность постоянного тока и переменного тока. Точность всей системы зависит от поддержания точности пути прохождения сигнала.
В некоторых приложениях может возникнуть ситуация, при которой входы операционного усилителя будут вызваны напряжениями вне уровня напряжения питания - это называется условием перенапряжения. Например, если операционный усилитель сконфигурирован для работы с его положительным запасом при +15 В и его отрицательной подачей при -15 В, каждый раз, когда входной штырь выходит более чем на один диод, выходящий за пределы этих направляющих (например, ± 15, 7 В), внутренние диоды защиты ОУР ОУ могут быть смещены вперед и начать ток. Чрезмерный входной ток в течение длительных периодов времени или даже коротких периодов времени, если ток достаточно высок, может привести к повреждению операционного усилителя. Этот ущерб может привести к смещению параметров электрических спецификаций за пределы гарантированных лимитов данных; это может даже вызвать постоянный отказ ОУ. Когда разработчики системы сталкиваются с этой возможной ситуацией, они часто добавляют схемы защиты от перенапряжения (OVP) на входах в усилитель. Тогда задача состоит в том, чтобы добавить OVP-схему без добавления ошибок (потеря точности системы).
Как возникают условия перенапряжения
Метод защиты от перенапряжения. Условия перенапряжения могут быть вызваны рядом различных ситуаций. Рассмотрим систему, в которой дистанционный датчик находится в поле, например, измеряя поток жидкости на нефтеперерабатывающем заводе и отправляя его сигнал через кабель для электроники сбора данных, которые находятся в другом физическом месте. Первый этап в тракте электронного сигнала сбора данных часто может быть операционным усилителем, сконфигурированным как буфер или усилитель усиления. Вход в этот операционный усилитель подается во внешний мир и поэтому может подвергаться инцидентам с перенапряжением, например, короткому замыканию от поврежденного кабеля или неправильному подключению кабеля к электронике сбора данных.
Аналогичным образом, ситуация, которая может вызвать условие перенапряжения, заключается в том, что входной сигнал, который обычно находится в диапазоне входного напряжения усилителя, внезапно получает внешний раздражитель, вызывающий переходный всплеск, который превышает напряжение питания ОУ.
Третий сценарий, который может привести к условию перенапряжения ввода, происходит от последовательности включения ОУ и других компонентов в тракте сигнала. Например, если источник сигнала, такой как датчик, включается до работы операционного усилителя, выход источника может начать выводить напряжение, которое затем будет применено к входу ОУ, даже если op- штыри питания усилителя еще не имеют мощности и находятся в основном на земле. Это создаст ситуацию перенапряжения и, вероятно, приведет к чрезмерному току через вход ОУ на землю (незакрепленные контакты питания).
Зажим: классическая технология защиты от перенапряжения
Очень популярный способ добавления OVP показан на рисунке 1. Когда амплитуда входного сигнала (VIN) превышает одно из напряжения питания плюс прямое напряжение диода, диод (DOVPP или DOVPN) будет смещать смещение и отправлять ток к рельсам питания, а не в операционные усилители, где избыточный ток может повредить ОУ. В этом приложении мы используем ADA4077, чрезвычайно высокоточный операционный усилитель с максимальным диапазоном питания 30 В (или ± 15 В).
Зажимные диоды являются 1N5177 диодами Шоттки, поскольку они имеют прямое напряжение приблизительно 0, 4 В, что меньше, чем прямое напряжение на диодах защиты от электростатического разряда (ОУР) ОУ; таким образом, зажимные диоды начнут ток до диодов ESD. Резистор защиты от перенапряжения, ROVP, ограничивает прямой ток через зажимные диоды, чтобы держать их под их максимальным номинальным током, предотвращая их повреждение чрезмерным током. Резистор RFB в контуре обратной связи существует потому, что любой входной ток смещения на неинвертирующем входе может вызвать ошибку входного напряжения в ROVP-добавлении RFB, чтобы исключить ошибку, создавая аналогичное напряжение на инвертирующем входе.
Рисунок 1. Классическая схема зажима для защиты от перенапряжения
Компромисс схемы диодной зажимной цепи с пониженной точностью
Хотя классическая схема на рисунке 1 защищает входные сигналы операционного усилителя, она вносит значительный сигнал в сигнальный путь. Прецизионные усилители обычно имеют входное смещение напряжения (VOS) в диапазоне микровольт. Например, максимальный VOS для ADA4077 составляет 35 мкВ при полном диапазоне рабочих температур от -40 ° C до + 125 ° C. Добавление внешних диодов и резистора с перенапряжением вносит ошибку смещения ввода, которая может быть во много раз больше, чем низкое смещение, присущее высокоточному операционному усилителю.
Обратно-смещенные диоды демонстрируют обратный ток утечки, который течет от катода через анод к источнику питания. Когда напряжение входного сигнала (VIN) находится между рельсами питания, диоды DOVPP и DOVPN имеют на них обратное напряжение. С VIN на земле (в середине диапазона входного напряжения) обратный ток через DOVPN приблизительно равен обратному току утечки через DOVPP. Однако, когда VCM перемещается выше или ниже земли, больший обратный ток течет через один диод, чем другой. Например, когда VCM находится в верхней части диапазона входного напряжения ОУ, который составляет 2 В от положительной мощности или 13 В в этой цепи, диод DOVPN будет иметь обратное напряжение 28 В на нем. В соответствии с листом данных диода 1N5177 это может привести к обратному току утечки, близкому к 100 нА. По мере протекания тока обратной утечки из входного сигнала (VIN) через ROVP он создаст падение напряжения на ROVP, которое будет выглядеть точно так же, как увеличение входного напряжения смещения на пути сигнала.
Особое беспокойство вызывает то, что ток обратной обратной связи диода увеличивается экспоненциально с увеличением температуры, вызывая увеличение штрафа смещения напряжения в цепи зажима OVP. В качестве базовой линии сравнения для точности ОУ без внешней схемы перенапряжения на рисунке 2 показано измеренное напряжение смещения ADA4077 в диапазоне входного напряжения от -13 В до +13 В. Измерения проводились при трех температурах: 25 ° C, 85 ° C и 125 ° C. Обратите внимание, что при 25 ° С VOS ADA4077, использованный в этом тесте, достиг только 6 мкВ; даже при 125 ° С, VOS составляет всего около 20 мкВ. Когда мы добавляем внешнюю зажимающую цепь OVP на одно и то же устройство ADA4077 и применяем входной сигнал в VIN, мы видим результаты, показанные на рисунке 3. При комнатной температуре VOS скачет до 30 мкВ - в пять раз больше ошибки тракта ADA4077, При 125 ° С VOS достигает более 15 мВ - увеличение в 750 раз 20 мкВ ADA4077! Точность исчезла.
Рисунок 2. Входное напряжение смещения относительно входного напряжения для ADA4077
Рисунок 3. Входное напряжение смещения относительно входного напряжения для схемы зажима OVP, добавленной к ADA4077
Резистор 5 кОм отлично справляется с защитой зажимных диодов, а также операционным усилителем во время состояния перенапряжения, но при нормальной работе, когда диоды протекают через него, он добавляет довольно немного ошибки смещения (не говоря уже о шуме Джонсона из резистор). Нам хотелось бы, чтобы динамическое входное сопротивление имело низкое сопротивление во время работы в пределах заданного диапазона входного напряжения, но высокое сопротивление во время перенапряжения.
Комплексное решение обеспечивает ответ
ADA4177 - это высокоточный операционный усилитель с интегрированной защитой от перенапряжения. Интегрированные диоды ESD действуют как зажим для перенапряжения для защиты детали. Режим истощения FETs последовательно на каждом входе перед диодами ESD. Они обеспечивают динамическое сопротивление, которое увеличивается, когда входное напряжение (VCM) превышает напряжение питания. По мере увеличения входного напряжения сопротивление сток-исток (RDSON) внутреннего FET увеличивается, тем самым ограничивая ток в экспоненциальном увеличении напряжения (см. Рисунок 4). Поскольку ADA4177 использует FET на режимах истощения на входах, а не в резисторе серии, операционный усилитель не страдает от напряжения смещения напряжения на резисторе, что делает цепь зажима OVP.
Рисунок 4. Входной ток смещения ADA4177 ограничен по мере увеличения перенапряжения
ADA4177 может выдерживать напряжения на входах до 32 В за напряжение питания. Он ограничивает ток перенапряжения типичным от 10 мА до 12 мА, защищая операционный усилитель без использования каких-либо внешних компонентов. Как показано на рисунке 5, даже при 125 ° C эта испытанная единица показывает напряжение смещения всего 40 мкВ. Это составляет менее 3% погрешности, показанной при этой температуре. Точность сохраняется!
Рисунок 5. Входное напряжение смещения относительно входного напряжения для ADA4177 со встроенным OVP
Что это значит для производительности системы
При анализе влияния изменяющегося входного напряжения на точность пути сигнала разработчик системы рассмотрит коэффициент подавления синфазного сигнала усилителя (CMRR). Это показатель того, сколько из входного напряжения общего режима отклонено от показания на выходе (или как мало проходит). Поскольку операционные усилители часто сконфигурированы для обеспечения усиления между входом и выходом, мы нормализуем спецификацию CMRR, ссылаясь на изменение входного напряжения смещения, которое представляет собой изменение в выходе, деленное на коэффициент усиления в замкнутом контуре усилителя. Коэффициент отклонения синфазного сигнала - это положительное значение, выраженное в дБ, и рассчитывается по следующей формуле:
CMRR = 20 log (ΔVCM / ΔVOS)
Из этого соотношения мы видим, что явно желательно сохранить VOS как можно меньше. ADA4177 указывается с гарантированным минимальным пределом CMRR 125 дБ по полной рабочей температуре. Используя результаты испытаний блоков, измеренных в этом эксперименте, мы можем рассчитать и сравнить CMRR схемы зажима и ADA4177. В таблице 1 показана предельная потеря точности при использовании классической схемы зажимного диода и превосходного CMRR ADA4177 с интегрированной защитой от перенапряжения FET.
Таблица 1. Сравнение CMRR ADA4177 с дискретным OVP с зажимными диодами
| Метод защиты от перенапряжения | 25ºC | 85ºC | 125 ° |
|---|---|---|---|
| ADA4177 | 143 дБ | 145 дБ | 142 дБ |
| ADA4077 и Clamping OVP | 113 дБ | 78 дБ | 58 дБ |
Рекомендации
Аркин, Майкл и Эрик Модика. «Устойчивые усилители обеспечивают комплексную защиту от перенапряжения». Analog Dialogue, том 46, номер 1, 2012.
Видео: «ADA4096-2 Усилитель защиты от перенапряжения входного сигнала». Analog Devices, Inc.
Видео: «ADA4177: Op Amp с OVP и EMI обеспечивает надежность и точность». Analog Devices, Inc.
Для получения дополнительной информации о ADA4177 и ADA4077 см. Страницы продукта и таблицы данных здесь: ADA4177 и ADA4077.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.