Источники питания сетевого напряжения на DIN-рейке MEAN WELL
РадиоЛоцман - Все об электронике

Защита входов операционного усилителя от перенапряжения: внешняя или встроенная?

Analog Devices ADA4077 ADA4177

Введение

Высокоточные операционные усилители позволяют разработчикам систем создавать схемы, которые формируют сигналы (усиливают, фильтруют и буферизуют), сохраняя при этом точность исходного сигнала. Когда информация содержится в очень малых изменениях сигнала, крайне важно, чтобы операционные усилители на пути прохождения сигнала выполняли свою работу, внося как можно меньше ошибок по постоянному и переменному току. Точность всей системы зависит от поддержания точности пути прохождения сигнала.

Часто задаваемые вопросы о продукции MOSO

В некоторых приложениях может возникнуть ситуация, когда на входы операционного усилителя подаются напряжения, выходящие за пределы уровней напряжений питания – это называется состоянием перенапряжения. Например, если операционный усилитель сконфигурирован для работы с положительным напряжением питания +15 В и отрицательным напряжением питания –15 В, то всякий раз, когда напряжение на входном выводе будет на величину падения напряжения на одном диоде превышать напряжения шин питания (например, ±15.7 В), внутренние диоды электростатической защиты операционного усилителя могут оказаться смещенными в прямом направлении и начать проводить ток. Чрезмерный входной ток, протекающий в течение длительного времени, или даже коротких периодов времени, если он достаточно велик, может повредить операционный усилитель. Такое повреждение может привести к изменению электрических параметров и выходу их за пределы гарантированных значений, указанных в технической документации; это может даже вызвать необратимый отказ операционного усилителя. Когда разработчики систем сталкиваются с такой возможной ситуацией, они часто добавляют на входы усилителя схемы защиты от перенапряжения (overvoltage protection, OVP). Задача состоит в том, чтобы добавить схемы OVP, не добавляя ошибок (потери точности системы).

Как возникают состояния перенапряжения

Состояния перенапряжения могут быть вызваны рядом различных ситуаций. Рассмотрим систему, в которой удаленный датчик находится в полевых условиях – например, измеряет расход жидкости на нефтеперерабатывающем заводе и отправляет свой сигнал по кабелю на электронные устройства сбора данных, расположенные в другом физическом месте. Первым каскадом в сигнальном тракте электроники сбора данных часто может быть операционный усилитель, включенный буфером или усилителем с коэффициентом усиления. Вход этого операционного усилителя открыт для внешнего воздействия и поэтому может быть подвержен перенапряжению, например, короткому замыканию из-за поврежденного кабеля или неправильного подключения кабеля к электронике сбора данных.

Аналогично, ситуация, которая может вызвать перенапряжение, возникает, когда входной сигнал, который обычно находится в диапазоне допустимых входных напряжений усилителя, внезапно получает внешнее воздействие, вызывающее кратковременный всплеск напряжения, превышающий напряжение питания операционного усилителя.

Третий сценарий, который может привести к перенапряжению на входе, связан с последовательностью включения питания операционного усилителя и других компонентов в сигнальном тракте. Например, если источник сигнала, такой как датчик, получает питание раньше, чем операционный усилитель, выходное напряжение источника начнет поступать на вход операционного усилителя, несмотря на то, что на его выводах питания еще нет напряжения и они, по сути, находятся под потенциалом земли. Это создаст ситуацию перенапряжения и, вероятно, приведет к протеканию чрезмерно большого тока через вход операционного усилителя на землю.

Ограничение: классический метод защиты от перенапряжения

Очень популярный способ добавления OVP показан на Рисунке 1. Когда амплитуда входного сигнала (VIN) превышает одно из напряжений питания плюс прямое напряжение диода, диод (DOVPP или DOVPN) смещается в прямом направлении, направляя ток в шины питания, а не на входы операционного усилителя, который может быть поврежден избыточным током. В этом приложении мы используем ADA4077 – исключительно высокоточный операционный усилитель с максимальным диапазоном напряжений питания 30 В (или ±15 В).

Рисунок 1. Классическая ограничительная схема для защиты от перенапряжения.

В качестве ограничительных диодов используются диоды Шоттки 1N5177, поскольку их прямое напряжение составляет приблизительно 0.4 В, что меньше прямого напряжения входных диодов защиты от электростатического разряда (ЭСР) операционного усилителя. Таким образом, ограничительные диоды начнут проводить ток раньше, чем диоды защиты от ЭСР. Резистор защиты от перенапряжения ROVP ограничивает прямой ток через ограничительные диоды, чтобы поддерживать его на уровне, не превышающем максимального номинального тока, предотвращая их повреждение избыточным током. Резистор RFB в цепи обратной связи присутствует потому, что любой входной ток смещения на неинвертирующем входе, создавая падение напряжения на ROVP, может вызывать ошибку входного напряжения; добавление RFB обнуляет ошибку, создавая аналогичное напряжение на инвертирующем входе.

Недостаток схемы диодного ограничения – снижение точности

Хотя классическая схема на Рисунке 1 защищает входы операционного усилителя, она вносит значительную погрешность в сигнальный тракт. Прецизионные усилители обычно имеют входные напряжения смещения (VOS) в диапазоне микровольт. Например, максимальное значение VOS для микросхемы ADA4077 составляет 35 мкВ во всем диапазоне рабочих температур от –40 °C до +125 °C. Добавление внешних диодов и резистора защиты от перенапряжения вносит ошибку входного смещения, которая может быть во много раз больше, чем низкое собственное смещение операционного усилителя.

Обратносмещенные диоды имеют обратный ток утечки, который течет от катода через анод к шине питания. Когда напряжение входного сигнала VIN находится между шинами питания, диоды DOVPP и DOVPN смещены в обратном направлении. Когда VIN имеет потенциал земли (середина диапазона входного напряжения), обратный ток через диод DOVPN примерно равен обратному току утечки через DOVPP. Однако когда VCM сдвигается выше или ниже уровня земли, через один диод протекает больший обратный ток, чем через другой. Например, если VCM находится на верхней границе диапазона входных напряжений операционного усилителя, которая на 2 В ниже напряжения положительной шины питания или 13 В в данной схеме, на диоде DOVPN будет обратное напряжение 28 В. Согласно техническому описанию диода 1N5177, это может вызвать обратный ток утечки около 100 нА. Поскольку обратный ток утечки протекает от входа сигнала VIN через резистор ROVP, он создает падение напряжения на ROVP, которое выглядит точно так же, как дополнительное входное напряжение смещения в сигнальном пути.

Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для микросхемы ADA4077.
Рисунок 2. Зависимость входного напряжения смещения от входного
напряжения для микросхемы ADA4077.

Дополнительную озабоченность вызывает то, что обратный ток утечки диода экспоненциально увеличивается с ростом температуры, что усугубляет проблемы, связанные с напряжением смещения, вносимым ограничительной схемой OVP. В качестве базового уровня для сравнения точности операционного усилителя без внешней схемы защиты от перенапряжения на Рисунке 2 показано измеренное напряжение смещения ADA4077 в диапазоне входных напряжений от –13 В до +13 В. Измерения проводились при трех температурах: 25 °C, 85 °C и 125 °C. Обратите внимание, что при температуре 25 °C напряжение VOS микросхемы ADA4077, использованной в данном тесте, достигало всего 6 мкВ; даже при 125 °C VOS составляет всего около 20 мкВ. При добавлении внешней ограничительной схемы OVP к тому же устройству ADA4077 и подаче на вход напряжения VIN мы видим результаты, показанные на Рисунке 3. При комнатной температуре напряжение VOS подскакивает до 30 мкВ – это в пять раз больше ошибки в сигнальном пути одной только микросхемы ADA4077. При температуре 125 °C VOS достигает значения, превышающего 15 мВ, что в 750 раз больше, чем 20 мкВ у ADA4077! Точность исчезла.

Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для микросхемы ADA4077 с добавленной ограничительной схемой OVP.
Рисунок 3. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения
для микросхемы ADA4077 с добавленной ограничительной схемой OVP.

5-килоомный резистор отлично справляется с защитой ограничительных диодов и операционного усилителя в состоянии перенапряжения, но при нормальной работе, когда через него проходит ток утечки диодов, он вносит довольно большую погрешность смещения (не говоря уже о генерируемом резистором шуме Джонсона). Нам хотелось бы иметь динамическое входное сопротивление, которое имеет низкое значение при работе в заданном диапазоне входных напряжений, но высокое значение в состоянии перенапряжения.

Ответ дает интегральное решение

Входной ток смещения ADA4177 ограничивается по мере увеличения перенапряжения.
Рисунок 4. Входной ток смещения ADA4177 ограничивается по мере
увеличения перенапряжения.

ADA4177 – это высокоточный операционный усилитель со встроенной защитой от перенапряжения. Встроенные ЭСР диоды действуют как ограничители перенапряжения, защищающие микросхему. На каждом входе перед ЭСР диодами последовательно включены полевые транзисторы с обедненным каналом. Они обеспечивают динамическое сопротивление, которое увеличивается, когда входное напряжение VCM превышает напряжение питания. По мере увеличения входного напряжения сопротивление сток-исток внутреннего полевого транзистора увеличивается, тем самым экспоненциально ограничивая ток с ростом напряжения (показано на Рисунке 4). Поскольку на входах ADA4177 используются полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения, а не последовательный защитный резистор, напряжение смещения на резисторе не портит характеристик операционного усилителя, как это происходит в ограничительной схеме OVP.
Микросхема ADA4177 может выдерживать напряжения на входах, до 32 В превышающие напряжения шин питания. Она ограничивает ток перенапряжения до типичных 10–12 мА, защищая операционный усилитель без использования каких-либо внешних компонентов. Как показано на Рисунке 5, даже при температуре 125 °C напряжение смещения этого испытываемого устройства составляет всего 40 мкВ. Это менее 3% от погрешности, которую показывала схема ограничителя при такой температуре. Точность сохраняется!

Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для микросхемы ADA4177 со встроенной OVP.
Рисунок 5. Зависимость входного напряжения смещения от входного
напряжения для микросхемы ADA4177 со встроенной OVP.

Что это означает для характеристик системы

Анализируя влияние переменного входного напряжения на точность сигнального пути, разработчик системы должен учитывать коэффициент ослабления синфазного сигнала усилителя (CMRR). Это показатель того, какая часть входного синфазного напряжения не пропускается на выход (или насколько мало пропускается). Поскольку операционные усилители часто конфигурируются для обеспечения усиления между входом и выходом, мы нормализуем значение CMRR, приведя его к изменению входного напряжения смещения, которое представляет собой изменение выходного сигнала, деленное на коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей обратной связи. Коэффициент ослабления синфазного сигнала – это положительная величина, выражаемая в дБ и рассчитываемая по следующей формуле:

Из этого соотношения видно, что желательно, чтобы напряжение VOS было как можно меньше. ADA4177 имеет гарантированное минимальное значение CMRR, равное 125 дБ в полном диапазоне рабочих температур. Используя результаты испытаний, проведенных в этом эксперименте, мы можем рассчитать и сравнить CMRR схемы ограничителя и ADA4177. В Таблице 1 показаны катастрофическая потеря точности при использовании классической схемы с ограничительными диодами и превосходный коэффициент ослабления синфазного сигнала микросхемы ADA4177 со встроенной защитой от перенапряжения на полевых транзисторах.

Таблица 1. Сравнение CMRR усилителя ADA4177 со схемой,
использующей OVP с ограничительными диодами
Метод защиты от перенапряжения 25 °C 85 °C 125 °C
ADA4177 143 дБ 145 дБ 142 дБ
ADA4077 и диодный ограничитель 113 дБ 78 дБ 58 дБ

Ссылки

  1. Arkin, Michael and Eric Modica. "Robust Amplifiers Provide Integrated Overvoltage Protection." Analog Dialogue, Volume 46, Number 1, 2012.
  2. Video: "ADA4096-2 Input Overvoltage Protection Amplifier." Analog Devices, Inc.
  3. Video: "ADA4177: Op Amp with OVP and EMI Provides Robustness and Precision." Analog Devices, Inc.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADA4077
  2. Datasheet Analog Devices ADA4177
  3. Datasheet Kexin 1N5177W

Analog Devices

На английском языке: Op amp input overvoltage protection: Clamping vs. integrated

66 предложений от 31 поставщиков
Интегральные микросхемы Аналоговая техника — усилители — инструменты, ОУ (операционные), буферные
Allelco
Весь мир
ADA4077-1ARMZ
Analog Devices
42 ₽
Akcel
Весь мир
ADA4077-2ARMZ-R7
Analog Devices
от 74 ₽
ICdarom.ru
Россия
ADA4077-1ARMZ-R7
Analog Devices
от 156 ₽
ADA4077-1ARMZ-R7
Analog Devices
от 156 ₽
ТМ Электроникс. Электронные компоненты и приборы. Скидки, кэшбэк и бесплатная доставка
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя