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ADI:运算放大器输入过压维护:箝位与集成

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介高精度运算放大器可让系统设计人员能在调理信

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

简介

高精度运算扩大器可让体系规划人员能在调度信号(扩大、滤波和缓冲)的一起坚持原始信号的精度。当信息包含在改变极小的信号中时,信号途径上的运算扩大器在作业时具有极低的直流和沟通差错功能就显得极为必要。总体系精度取决于信号途径的精度坚持程度。

在某些运用中,或许呈现电源电压以外的电压驱动运算扩大器 输入的状况—这种状况称为过压状况。例如,假定运算扩大器装备为+15 V正电源和−15 V负电源,则不管何时,只需输入引 脚电压大于一个二极管压降+供电轨电压(比方±15.7 V),则运算扩大器内部ESD维护二极管就能够正向偏置,开端传导 电流。长期(乃至短时间内)的过量输入电流—假如电流足够高的话—便或许会损坏运算扩大器。这种损坏或许会导 致电气标准参数违背数据手册所确保的限值,乃至导致运算扩大器永久性损坏。面临这种或许性,体系规划人员一般会 在扩大器输入端添加一个过压维护 (OVP) 电路。因而,难就难在引进OVP电路的一起不添加差错(丢失体系精度)。

过压条件是怎么发作的

许多不同的状况或许引起过压条件。考虑一个长途传感器坐落现场的体系—比方炼油厂内的液体活动,并将信号经过电缆发送至另一个物理地址的数据收集电子设备。数据收集电 子信号途径的榜首级一般是装备为缓冲器或增益扩大器的运算扩大器。该运算扩大器的输入暴露在外界环境下,因而可 能受过压事情的影响—比方电缆损坏导致的短路,或许电缆与数据收集电子设备的过错衔接。

类似地,或许导致过压条件的景象是:输入信号(一般在扩大器输入电压规模内)忽然接纳到外部鼓励,导致瞬态尖峰超越运算扩大器的电源电压。

或许导致输入过压条件的第三种状况来自运算扩大器和信号途径上其它元件的上电时序。例如,假如信号源(比方传感器)在运算扩大器之前上电,则信号源便可输出电压,而此 时运算扩大器电源引脚还没有上电。这会导致过压状况,有或许强制过量电流流经运算扩大器输入并抵达接地端(未上 电电源引脚)。

箝位:一种经典的过压维护技能

图1所示是一种OVP(过压维护)的常用办法。当输入信号(VIN) 起伏超越电源电压之一加上二极管正向电压,则二极管(DOVPP或DOVPN)将会正向偏置,电流将流至供电轨,过量电流或许会损坏运算扩大器。本运用中, 咱们运用了ADA4077—一款精度极高的运算扩大器,最大电源规模为30 V(或±15 V)。

箝位二极管是1N5177肖特基二极管,因为它们的正导游通电压等于大约0.4 V,这比运算扩大器输入静电放电 (ESD) 维护二极管的正导游通电压低;因而,箝位二极管将在ESD二极管之前开端传导电流。过压维护电阻ROVP约束了流过箝位二极管的正向电流,使其坚持在最大电流额外值以下,避免遭到过量电流的危害。运用反应环路电阻RFB是因为,同相输入上的任何输入偏置电流都会流过ROVP而发生输入电压差错—添加RFB值可消除差错,因为它会在反相输入端发生一个类似的电压。

Figure 1
图1. 用于过压维护的经典箝位电路。

二极管箝位电路的权衡取舍—下降精度

尽管图1中的经典电路能够维护运算扩大器输入端,但它会向信号途径上引进很多差错。精细扩大器的输入失调电压(VOS)一般为微伏等级。例如,ADA4077在−40°C至+125°C的完好作业温度规模内的最大VOS为35 μV。添加外部二极管和限流电阻会引进输入失调差错,该差错常常会比精细运算扩大器的固有失调大好几倍。

反向偏置二极管具有反向漏电流,此漏电流从阴极流过阳极。 2 模仿对话 50-05,2016 年5 月当输入信号电压 (VIN) 在供电轨之间的时分,二极管DOVPP和DOVPN具有反向电压。当VIN为地电平常(输入电压规模的中点),经过DOVPN的反向电流大致等于经过DOVPP的反向漏电流。但是,当VCM变为地电平以上或以下时,其间一个二极管中流过的反向电流大于另一个二极管中流过的电流。例如,当VCM等于运算扩大器输入电压规模的最大值时—即离正电源2 V(或本电路中的13 V)时,二极管DOVPN上的反向电压为 28 V。查阅1N5177二极管的数据手册可知,这或许会导致反向漏电流挨近100 nA。当反向漏电流从输入信号端(VIN) 流过ROVP时,它会在ROVP上形成电压降,看上去就像信号途径上 输入失调电压上升了。

另一个需求忧虑的当地是,二极管反向漏电流随温度上升而呈指数上升,导致箝位OVP电路的失调电压惩急剧上升。图2是一个不带外部过压电路的运算扩大器,以此作为对照基准,该 图显现了ADA4077在−13 V至+13 V输入电压规模内的失调电压丈量值。在三个温度下进行丈量:25°C、85°C和125°C。注 意在25°C时,本测验中的ADA4077 VOS仅达到了6 μV;哪怕在125°C,VOS也只要大约20 μV。当咱们把外部箝位OVP电路参加同一个ADA4077器材,并在VIN端施加输入电压时,能够看到如图3所示的成果。在室温下,VOS跳跃至30 μV—是单个ADA4077信号途径差错的5倍。在125°C时,VOS超越15 mV—等于ADA4077 20 μV的750倍之多!精度下降了。

Figure 2
图2. 输入失调电压与ADA4077输入电压的联系。
Figure 3
图3. ADA4077添加OVP箝位电路后输入失调电压与输入电压 的联系。

在过压条件时,5 kΩ电阻很好地维护了箝位二极管和运算扩大器,但正常作业时,若二极管在它两头有漏电流发生,则会引进较多的失调差错(更不要说来自电阻的约翰逊噪声了)。咱们需求的是动态输入电阻,它在额外的输入电压规模内作业时具有低电阻,但在过压条件下具有高电阻。

满足要求的集成式解决方案

ADA4177 是一款高精度运算扩大器,集成过压维护。集成式ESD二极管用作过压箝位,维护器材。耗尽型FET坐落ESD二极管之前,与各个输入端串联衔接。它们具有动态电阻,会跟着输入电压 (VCM) 超越电源电压而添加。跟着输入电压上升,内部FET的漏极-源极电阻 (RDSON) 添加,然后约束了跟从电压的上升而呈指数添加的电流(参见图4)。因为ADA4177在输入端选用耗尽型FET,而且因为它不是一个串联维护电阻,因而运算扩大器不会在电阻两头发生箝位OVP电路那样的失调电压问题。

Figure 4
图4. ADA4177输入偏置电流随过压的添加而受限。

ADA4177输入可耐受电源电压以上最高32 V的电压。它将过压电流约束在10 mA至12 mA(典型值)规模内,然后不运用任何外部元件即维护了运算扩大器。如图5所示,哪怕在125°C 时,该被测单元的失调电压也只要40 μV。该值为箝位电路在此温度下差错值的3%都不到。精度功能得到了保存!

Figure 5
图5. ADA4177选用集成式OVP时输入失调电压与输入电压的 联系。

这对体系功能而言意味着什么

剖析输入电压的改变对信号途径精度的影响时,体系规划人员会考虑扩大器的共模按捺比 (CMRR)。它表明输出端能按捺多少共模输入电压(或许经过了多少)。因为运算扩大器通 常装备为供给输入与输出之间的增益,因而咱们以输入失调电压改变为参照归一化CMRR标准(即输出改变除以扩大器 闭环增益)。共模按捺比是一个正数值,以dB为单位,核算公式如下:

        CMRR = 20 log (ΔVCM/ΔVOS)

从这个比值中能够看到,有必要坚持VOS尽量低。ADA4177额外值在完好的作业温度规模内确保具有125 dB最小CMRR限值。经过本试验中被测单元的测验成果能够核算并比照箝位 电路和ADA4177的CMRR。表1显现了运用经典箝位二极管电路时精度的极大丢失,以及集成FET过压维护的ADA4177的 超卓CMRR功能。

表1. ADA4177与带箝位二极管的分立式OVP的CMRR比照

 过压维护办法 25°C 85°C 125°C
 ADA4177 143 dB 145 dB 142 dB
 ADA4077和箝位OVP 113 dB 78 dB 58 dB
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