为放大器模拟输入模块提供可靠的输入过电压保护

文章作者:Luis Chioye

介绍了运放输入过电压保护的基本概念,讨论了如何选择合适的过电压钳位保护电路

一个关键子系统可编程序逻辑控制器是模拟输入模块,提供高精度前端,以测量各种传感器。然而,在许多情况下,放大器输入级通过长电缆连接到远程传感器,并且易于过电压条件。在本文中,我将引入运算放大器(OP-AMP)输入过压保护的基本概念,并讨论如何选择过压故障的右钳位保护电路。

输入模块中使用的OP-AMP的数据表应为电灯过度条件的绝对最大额定值提供规格。电灯过度条件分为两组:静电放电(ESD)和输入电视(EOS)。ESD事件是在不同静电电位的两个体之间突然转移静电电荷。静电电位通常可以分开数千伏,并且电荷转移通常在一秒钟的一部分内发生。相反,当电路暴露于过电压条件时发生EOS事件,例如由无意连接引起的故障,相对长的时间。这些EOS额定值代表了器件可以在不损坏的情况下承受的最大电源电压,输入电压和输入电流。表1显示了代表性的绝对最大额定值精密运算放大器,德州仪器公司OPA2205

表1德州仪器的绝对最大额定值OPA2205精密放大器。

通常,运放内部有ESD保护结构,用于在制造和生产测试期间保护运放。用于防静电保护的三种常见结构,如图所示图1,是串联电阻,转向二极管和吸收器件。导向二极管打开并将ESD脉冲从敏感电路元件引导到吸收器件。该吸收装置吸收ESD脉冲的能量,并限制电压水平,以防止损坏。

图1通常,一个运放内包含三个ESD保护结构。

运算放大器对EOS的最大额定值基于内部ESD二极管可以维持的最大电压和连续电流。然而,这些结构并不意味着保护设备以用于在电路故障条件期间可能发生的更长的EOS事件。相反,可能需要外部电路钳位以保护OP放大器输入电路免受EOS事件的影响。肖特基二极管和串联电阻是一个CAT,有助于保护OP-AMP输入免受过压断层。

让我们考虑±10v模拟输入模块电路图2.在这个电路中,运放缓冲器提供了一个高输入阻抗与各种传感器的接口。的THP210完全差分放大器(FDA)衰减并达到缓冲信号以驱动模数转换器。FDA是一种精密,低噪声,低漂移放大器,配置为二阶巴特沃斯低通滤波器,带有100 kHz的角频率。

图2这个高阻抗±10v模拟输入模块前端使用肖特基二极管和其他元件保护运放免受EOS事件。

本例中显示了两种类型的保护电路,其箝位电路用于提供±40v连续过电压故障的输入保护。瞬态电压抑制(TVS)二极管用于箝位电源轨道,使箝位电路电流下降,使电源保持在运放±20v的绝对电源额定值以下。TVS二极管与齐纳二极管类似,但设计目的是快速、大瞬态功率损耗。图中显示的SMF12A是一个单向TVS,其反向对峙电压为12 V,击穿电压为14.7 V,最大夹紧电压为19.9 V。使用1.24-kΩ, 1/2-W R,±40-V故障期间的电流限制在20 mA限制电阻,如图3所示。

这里使用的Schottky二极管在运算放大器输入上具有金属半导体结,其提供比硅结二极管的较低的正向电压下降,例如用于运算放大器中的ESD保护的二极管。图3详细介绍了外部保护钳位电路的这一特性如何与内部ESD二极管一起工作。

在这个例子中,BAS40是一个小信号肖特基二极管,在1毫安时正向电压接近~380 mV。相比之下,在相同正向电流下,内部ESD结构的正向电压为~550 mV。因此,肖特基二极管在放大器的内部ESD二极管之前开启,并且大部分涌入电流通过外部钳位。内部ESD结构只能承受10ma,而外部肖特基二极管可以处理高达200ma的连续电流,提供强大的保护。

图3这个常用的运放输入保护肖特基二极管钳位在内部二极管之前打开,路由大部分涌入电流通过外部二极管。

虽然外部肖特基二极管箝位提供了强大的过电压保护,然而,这种箝位的缺点是它引入了信号错误。在正常工作中,反向偏置肖特基二极管显示出通过R的反向漏电流限制电阻,产生不期望的偏移量。本例中使用的BAS40提供了200 nA的非常低的泄漏电流,将偏移误差保持在最小。您也可以选择减少R限制电阻器尽量减少这些偏移误差,折衷的方法是增加故障电流。这种故障电流的增加将需要一个具有更高额定功率的电阻。

然而,二极管漏电流可以随着反向电压的函数略微变化;因此,二极管之间的反向漏电流的失配导致小的非线性误差作为输入电压的函数。此外,二极管的漏电流在温度下指数增加。例如,这种类型的肖特基的典型漏电流约为25˚C的20na;但是,这种漏电流可以在85˚C以上的温度高于100˚C时增加到2μA。

幸运的是,一些现代精密运算放大器提供集成的输入过电压保护,无需这种类型的外部钳位电路。图4显示综合输入保护OPA2206.如果电源关闭,则其输入受到最高可达±40 V的电压,或者±40 V。

图4当输入过载时,集成运放输入保护钳改变阻抗,在EOS期间提供保护,同时将正常运行时的影响最小化。

OPA2206的内部保护电路在正常信号条件下提供低串联阻抗,从而维持所需的OP-AMP精度。然而,如果输入过载,则保护电路增加了串联阻抗,并将输入电流限制为约±5mA的值。因此,集成输入保护钳位使您能够通过可靠的保护获得准确的结果,同时降低了溶液尺寸的成本和缩小缩小。

过电压保护是一个广泛的主题,所示的方法只是许多不同的方式来保护一个运放的输入TI Precision Labs - 电灯过客视频系列。本系列介绍了EOS运放保护的详细概述,以及如何为您的应用设计合适的钳位电路。

发表评论