Цепи защиты входов операционного усилителя могут шуметь

Большинство операционных усилителей имеют входные и выходные диоды защиты от электростатических разрядов (ЭСР), показанные на Рисунке 1. Эти диоды предназначены для защиты от повреждения электростатическими разрядами во время тестирования устройства и сборки изделия.

Рисунок 1.	Операционные усилители имеют входные и выходные диоды защиты от электростатических разрядов.

ЭСР может привести к возникновению очень большого тока в диоде ЭСР-защиты, но только в течение наносекунд. И хотя ЭСР-диоды рассчитаны на то, чтобы выдерживать импульсы ЭСР, более длительные электрические перенапряжения потребуют дополнительных внешних компонентов. Большинство входных диодов защиты от ЭСР рассчитаны на непрерывный ток 10 мА, но при электрических перенапряжениях ток часто значительно превышает 10 мА.

Один из распространенных подходов, используемых для ограничения избыточного входного тока операционного усилителя, заключается в том, чтобы просто подключить токоограничивающий резистор на вход и ограничитель бросков напряжения (супрессор, TVS-диод) на каждую шину питания (Рисунок 2). Резистор ограничит входной ток, но часть избыточного напряжения все равно попадет на источник питания. TVS-диод защитит источник питания от бросков напряжения, проникающих через ЭСР-диоды.

Рисунок 2.	В показанной схеме защиты от электрических перегрузок используется прецизионный операционный усилитель OPA205.

TVS-диод нужен потому, что многие стабилизаторы напряжения не способны поглощать ток и не могут реагировать достаточно быстро, чтобы защитить источник питания. Сопротивление резистора, необходимого для защиты операционного усилителя, зависит от величины входного сигнала перегрузки. Большие сигналы перегрузки потребуют больших сопротивлений.

В примере на Рисунке 2 используется резистор 10 кОм для ограничения тока до безопасного уровня 3.13 мА при сигнале перегрузки 50 В. Использование схемы защиты на Рисунке 2 может быть очень эффективным, но имеет несколько ограничений.

Резистор внесет ошибку смещения по постоянному току из-за входного тока смещения I_B операционного усилителя. Эта ошибка будет добавляться непосредственно к входному напряжению смещения V_OS операционного усилителя и ограничивать точность схемы по постоянному току. Еще одним ограничением резистивной защиты входа является то, что резисторы генерируют тепловой шум. Плотность шума e_nRin рассчитывается по формуле (1) как

(1)

Затем следует сравнить этот шум с характеристикой спектральной плотности шума операционного усилителя, взятой из его технического описания.

В примере, показанном на Рисунке 2, входной шум, указанный в техническом описании, составляет 7.2 нВ/√Гц, а резистор производит 12.8 нВ/√Гц. Таким образом, общий шум enTotal будет определяться в первую очередь защитным резистором и будет намного выше, чем шум одного только операционного усилителя.

(2)

Схема защиты входа с помощью полевых транзисторов с p-n переходом (junction field-effect transistor, JFET), показанная на Рисунке 3, – это подход, позволяющий обеспечить надежную защиту входа при минимизации ошибок, обусловленных шумами базового тока I_B и резисторов. Схема с JFET имеет низкое сопротивление, когда через нее не протекает ток, но с увеличением тока сопротивление быстро возрастает.

Рисунок 3.	Схема защиты входа на JFET показана в условиях неисправности.

Таким образом, в нормальных рабочих условиях цепь JFET будет иметь низкое сопротивление и вносить минимальный шум и ошибку I_B. В случае неисправности сопротивление устройства JFET будет быстро увеличиваться, ограничивая ток и защищая схему. После устранения неисправности JFET вернется в свое нормальное состояние с низким сопротивлением.

Такую схему можно построить на дискретных JFET, но она также бывает встроена в некоторые усилители. В общем случае, если вы видите в техническом описании усилителя слова «защита входа от перегрузки по напряжению», это означает защиту входа с помощью JFET. Использование интегрированной защиты позволяет сэкономить площадь печатной платы, уменьшить трудозатраты на проектирование и в целом снизить общие расходы.

Обзор фундаментальных основ JFET

Чтобы понять, как работает защита на JFET, давайте рассмотрим некоторые основы JFET. В этой статье речь пойдет о p-канальных JFET-устройствах, но тот же подход применим и к приборам с n-каналом при обратной полярности включения. JFET можно рассматривать как сопротивление, управляемое напряжением, где сопротивление канала регулируется напряжением затвор-исток (V_GS) и напряжением сток-исток (V_DS).

Важно понимать, что JFET работает в режиме обеднения. Переход затвор-исток смещен в обратном направлении, что создает обедненную область, ограничивающую ток канала I_D. Увеличение обратного напряжения смещения увеличит область обеднения, что увеличит сопротивление канала. Наименьшее сопротивление имеет место при V_GS = 0 В, когда обедненная область очень мала, как показано на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Сравнение области сопротивления и области обеднения.

Регулировка напряжения V_DS также повлияет на область обеднения. При более низком V_DS канал действует как резистор, и говорят, что транзистор находится в омической или триодной области. В омической области увеличение V_DS приведет к пропорциональному увеличению тока стока I_D, как и в случае с резистивной защитой (см. левую часть Рисунка 5).

Рисунок 5.	Характеристики p-канального JFET, на которых выделены области омического сопротивления и насыщения.

При более высоком напряжении V_DS канал отсекается, и говорят, что транзистор находится в области насыщения. В области насыщения ток через транзистор остается относительно постоянным в широком диапазоне напряжений сток-исток (см. правую часть Рисунка 5).

Как упоминалось ранее, у JFET переход затвор-исток обычно смещен в обратном направлении. При прямом смещении JFET перестанет работать как транзистор, и кривые на Рисунке 5 будут неприменимы. В этом случае JFET превратится в обычный диод с p-n-переходом с прямым падением напряжения около 0.6 В, а ток будет ограничен внешними компонентами.

Вообще, режима работы с прямым смещением лучше избегать, но в случае схемы защиты входа один из транзисторов при наличии сигналов перегрузки становится смещенным в прямом направлении.

Работа схемы защиты на JFET

Схема защиты входа на JFET на Рисунке 3 показана в условиях неисправности. В этом примере рассматривается случай, когда входное напряжение перегрузки равно +50 В, а операционный усилитель питается от источника ±18 В. Транзистор T1 работает как прямосмещенный диод, а T2 – как JFET в области насыщения при V_GS = 0 В.

Если считать, что вольтамперная характеристика транзисторов цепи защиты соответствует показанной на Рисунке 5, то ток I_D ограничен значением приблизительно 2.25 мА при V_GS = 0 В и V_DS > –1,5 В (область насыщения). Таким образом, JFET защищают операционный усилитель от повреждений, поскольку ограничивают входной ток до значения, меньшего, чем указанный в техническом описании максимальный ток 10 мА. Ток, протекающий при V_GS = 0 В, определяется как I_DSS, поэтому для защиты входа операционного усилителя требуется выполнение условия I_DSS < 10 мА.

Эффект от входного напряжения перегрузки –50 В будет таким же, за исключением того, что транзистор T2 будет прямосмещенным диодом, а T1 будет находиться в области насыщения. В состоянии перегрузки JFET будет действовать как токоограничивающий резистор, сопротивление которого увеличивается с ростом напряжения перегрузки и поддерживает постоянный ток менее 10 мА.

Во время нормальной работы оба JFET будут находиться в омической области и иметь относительно низкое сопротивление. Кроме того, при нормальной работе ток через JFET будет равен входному току смещения операционного усилителя (обычно в диапазоне от фемтоампер до наноампер). Можно графически оценить сопротивление омической области, посмотрев на наклон кривой I_D при V_GS = 0 В.

Для транзистора, показанного на Рисунке 5, сопротивление в омической области составляет приблизительно 500 Ом (R_DS = 1 В/2 мА = 500 Ом). И наоборот, в условиях неисправности, показанных на Рисунке 3, JFET находится в области насыщения, и его сопротивление составляет приблизительно 13.7 кОм.

Важным моментом является то, что в нормальных условиях работы сопротивление JFET мало, следовательно, тепловой шум будет низким (для 500 Ом). В условиях неисправности сопротивление велико, но в этом случае тепловой шум не имеет значения, так как усилитель не работает нормально, и резистор нужен только для защиты операционного усилителя от повреждения.

Выбор JFET для дискретной схемы защиты

В некоторых операционных усилителях, таких как OPA206, имеется встроенная защита на JFET. Если же встроенной JFET-защиты в усилителе нет, вам может понадобиться создать собственную схему защиты. Если не обращать внимания на тепловой шум или смещение от входного тока нельзя, можно использовать схему защиты на JFET. Если шум и ошибка от входного тока I_B не вызывают беспокойства, можно просто использовать защитный резистор большого сопротивления, как показано на Рисунке 2.

Решив, что вам нужна JFET-защита входа, вы должны убедиться, что максимальный ток насыщения сток-исток (I_DSS) составляет менее 10 мА, чтобы JFET в достаточной степени ограничивал входной ток в случае перегрузки. Кроме того, поскольку один из двух JFET будет иметь переход затвор-исток, смещенный в прямом направлении, вы должны убедиться, что максимально допустимый прямой ток затвора I_GF меньше I_DSS.

Удостоверьтесь, что не превышены максимально допустимые напряжения сток-затвор и исток-затвор. Наконец, рассчитайте сопротивление в омической области при V_GS = 0 В, чтобы убедиться, что сопротивление в условиях отсутствия перегрузок приемлемо с точки зрения погрешности.

Влияние на стоимость и технические характеристики

Чтобы понять разницу в стоимости и технических характеристиках операционного усилителя со встроенной цепью защиты на JFET и без нее, давайте сравним микросхему OPA205 с микросхемой OPA206. В обоих устройствах используется один и тот же операционный усилитель, но OPA206 содержит дополнительные JFET защиты входов. При рассмотрении спецификаций этих двух устройств основное различие заключается в характеристиках входного шума и устойчивости к электрическим перегрузкам.

Спектральная плотность шума для усилителя OPA205 составляет 7.2 нВ/√Гц, а для OPA206 – 8 нВ/√Гц. Имеет место некоторая деградация шумовых характеристик, но она существенно меньше, чем та, которая могла бы возникнуть при использовании токоограничивающего резистора с большим сопротивлением. Схема защиты позволяет OPA206 выдерживать максимальные напряжения, выходящие на 40 В за пределы шин питания, в то время как OPA205 без внешней защиты допускает превышение входных напряжений над напряжениями шин питания всего на 0.5 В. Цена OPA206 примерно на $0.07 выше, чем OPA205, из-за наличия дополнительной схемы.

Чтобы реализовать схему защиты на дискретных JFET, потребуется приобрести два транзистора. Как правило, это два устройства в корпусе SOT-23, которые занимают на печатной плате примерно ту же площадь, что и сам операционный усилитель. Кроме того, стоимость этих двух устройств, скорее всего, превысит стоимость дополнительной защиты в интегрированном решении.

Таким образом, в целом лучше выбирать интегрированный вариант защиты, если он доступен, и выбирать защиту на дискретных JFET в тех случаях, когда интегрированное решение недоступно, а простое решение с резистором неприемлемо с точки зрения шума.

Используйте операционный усилитель со встроенной JFET-защитой входа

Защита операционного усилителя от перегрузок стала очень распространенным требованием в современных аналоговых системах. Однако в этих системах также часто требуется низкий уровень шума и высокая точность по постоянному току, а простая резистивная защита входа делает достижение этой цели сложной задачей. Использование внешней защиты на JFET – хороший способ получить и то и другое.

Однако внешняя защита увеличивает стоимость и площадь печатной платы. Лучшим решением будет использование усилителя с интегрированной JFET-защитой входа, поскольку это защитит вход, сохранит хорошие характеристики, минимально увеличит стоимость и минимизирует площадь печатной платы.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA205
2. Datasheet Texas Instruments OPA206