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ADI读书活动第五十六期:运算放大器输入过压保护:箝位...

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发表于 2016-7-6 08:54:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
运算放大器输入过压保护:箝位与集成

简介
高精度运算放大器在某些应用中,运算放大器输入端电压高过运放电源电压一个二极管压降以上时(比如运放电源电压是±15 V,而输入信号大于15.7V时),则运算放大器内部ESD保护二极管就会正向偏置,这可能导致运算放大器永久性损坏。所以须添加一个过压保护 (OVP) 电路。但OVP电路的引入,又会对电路的系统精度带来挑战。

一. 箝位:经典的过压保护技术
1. 箝位电路工作原理
图1示例中使用了ADA4077(一款精度极高的运算放大器),最大电源范围为30 V(或±15 V)。
箝位二极管是1N5177肖特基二极管,其正向导通电压0.4 V,这比运算放大器内部输入ESD 保护二极管的正向导通电压低;因此,箝位二极管将在ESD二极管之前开始传导电流。过压保护电阻ROVP限制了流过箝位二极管的正向电流,防止受到过量电流的损害。反馈环路电阻RFB消除了同相输入上,偏置电流流过ROVP而产生的误差,因为它会在反相输入端产生一个相似的电压。

图片1.png
图1. 用于过压保护的经典箝位电路。

2.箝位带来的问题—降低精度
箝位电路可以保护运算放大器输入端,但它会向信号路径上引入大量误差。添加箝位后引入的输入失调误差,比精密运算放大器的固有失调大好几倍。原因如下:
A. 偏置二极管的反向漏电流。
偏置二极管反向漏电流从阴极流过阳极。例如图1中,当VCM等于13 V时,二极管DOVPN上的反向电压为28 V。此时1N5177二极管的反向漏电流接近100 nA。当反向漏电流从输入信号端(VIN) 流过ROVP时,它会在ROVP上造成电压降,看上去就像信号路径上输入失调电压上升了。
B. 二极管反向漏电流随温度上升而呈指数上升。
图2显示了无箝位OVP电路的失调电压测量值。在25°C时,输入失调电压VOS仅达到了6 μV;在125°C,VOS也只有大约20 μV。图3是加入箝位OVP电路所示的结果。室温下,VOS为30 μV(是单个ADA4077信号路径误差的5倍)。125°C时,VOS超过15 mV(等于ADA4077 20 μV的750倍)!精度下降了。

图片2.png

图2. 输入失调电压与ADA4077输入电压的关系。
图片3.png
图3. ADA4077添加OVP箝位电路后输入失调电压与输入电压的关系。
3.小结:
在过压条件时,ROVP5 kΩ电阻很好地保护了箝位二极管和运算放大器,但正常工作时,若二极管在它两端有漏电流产生,则会引入较多的失调误差。我们需要的是动态输入电阻,它在额定的输入电压范围内工作时具有低电阻,但在过压条件下具有高电阻。
二.集成:满足要求的解决方案
ADA4177 是一款高精度运算放大器,集成过压保护。集成式ESD二极管用作过压箝位,保护器件。耗尽型FET位于ESD二极管之前,与各个输入端串联连接。它们具有动态电阻,会随着输入电压 (VCM) 超过电源电压而增加。随着输入电压上升,内部FET的漏极-源极电阻 (RDSON) 增加,从而限制了跟随电压的上升而呈指数增长的电流。由于ADA4177在输入端采用耗尽型FET,并且由于它不是一个串联保护电阻,因此运算放大器不会在电阻两端产生箝位OVP电路那样的失调电压问题。无需使用任何外部元件,精度性能得到了保证!

三.总结
在高精度运算放大器应用中,采用集成保护功能的产品会大大简化外围电路,并且保证了整个电路的系统精度。


进入有奖互动的环节:

Q1,列举文中的两款ADI放大器产品。
Q2,简述一下高精度运放在某些应用中要加入保护电路的原因
Q3,高精度运放在添加外部过压保护电路后,会带来什么问题?
Q4,简述,运放外接箝位电路引入失调误差的形成原因。
Q5,简述一下ADA4177的主要特性

各位伙伴们快来参加吧!

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