爲放大器模擬輸入模塊提供可靠的輸入過電壓保護
Signal Chain Basics #159: Provide robust input overvoltage protection for amplifier analog input modules
可編程邏輯控制器中的一個關鍵子系統是模擬輸入模塊，它提供一個高精度的前端來測量各種傳感器。然而，在許多情況下，放大器輸入級通過長電纜連接到遠程傳感器，並且容易受到過電壓條件的影響。本文介紹運算放大器（運放）輸入過電壓保護的基本概念，討論過電壓故障時如何選擇合適的鉗位保護電路。
輸入模塊中使用的運算放大器的數據表應提供電力過壓應力條件下絕對最大額定值的規範。電力過壓應力狀態分爲兩類：靜電放電（ESD）和輸入電力過壓應力（EOS）。靜電放電事件是兩個物體在不同靜電勢下的靜電突然轉移。靜電勢通常可以相隔數千伏特，電荷轉移通常發生在幾秒鐘之內。相反，當電路暴露在過電壓條件下（例如由無意連接引起的故障）相當長的一段時間時，會發生EOS事件。這些EOS額定值代表設備能夠承受的最大電源電壓、輸入電壓和輸入電流而不會損壞。表1顯示了代表性精密運算放大器德州儀器OPA2205的絕對最大額定值。
表1德州儀器OPA2205精密放大器的絕對最大額定值。
通常，運算放大器具有內部ESD保護結構，設計用於在製造和生產測試期間保護運算放大器。ESD保護中使用的三種常見結構，如圖1所示，是串聯電阻器、轉向二極管和吸收裝置。轉向二極管打開並將ESD脈衝從敏感電路元件引向吸收裝置。吸收裝置吸收ESD脈衝的能量並限制電壓水平以防止損壞。
圖1通常，三個ESD保護結構包含在運算放大器中。
EOS運算放大器的最大額定值基於內部ESD二極管能夠承受的最大電壓和持續電流。然而，這些結構並不意味着保護裝置，以防在電路故障條件下可能發生的較長時間的EOS事件。相反，可能需要外部電路夾來保護運放輸入電路免受EOS事件的影響。Schottky二極管和串聯電阻有助於保護運放輸入免受過電壓故障的影響。
讓我們考慮圖2中所示的±10-V模擬輸入模塊電路。在這個電路中，運算放大器緩衝器提供了一個高輸入阻抗與各種傳感器接口。THP210全差分放大器（FDA）對緩衝信號進行衰減和電平變換，以驅動模數轉換器。FDA是一個精密、低噪聲、低漂移放大器，被配置爲一個角頻率爲100khz的二階巴特沃斯低通濾波器。
圖2這個高阻抗±10-V模擬輸入模塊前端使用Schottky二極管和其他元件來保護運放免受EOS事件的影響。
本例中顯示了兩種類型的保護電路，鉗位電路設計用於爲±40-V連續過電壓故障提供輸入保護。瞬態電壓抑制（TVS）二極管用於鉗制電源軌，使鉗制電路電流下降，以保持電源低於運放的±20-V絕對電源額定值。TVS二極管類似於齊納二極管，但設計用於快速、大的瞬態功耗。圖中所示的SMF12A是一種單向電視機，反向隔離電壓爲12V，擊穿電壓爲14.7V，最大箝位電壓爲19.9V。如圖3所示，使用1.24-kΩ1/2-W電阻，在±40-V故障期間，電流限制在20毫安。
Schottky二極管，在這裏用於運放輸入，有一個金屬半導體結，提供比硅結二極管更低的正向電壓降，例如那些用於運放的ESD保護。圖3詳細說明了外部保護鉗位電路的這個屬性如何與那些內部ESD二極管一起工作。
在本例中，BAS40是小信號Schottky二極管，在1毫安時正向電壓接近~380毫伏。相比之下，內部ESD結構在相同正向電流下的正向電壓約爲550mV。因此，Schottky二極管在放大器的內部ESD二極管之前打開，並且大部分的湧入電流流過外部鉗位。內部ESD結構只能承受10毫安，而外部Schottky二極管可以處理高達200毫安的正向連續電流，提供強大的保護。
圖3這個常用的運放輸入保護Schottky二極管鉗位在內部二極管之前打開，通過外部二極管路由大部分的湧入電流。
雖然外部Schottky二極管鉗位提供了強大的過電壓保護，但這種鉗位的缺點是它會引入信號誤差。在正常工作過程中，反向偏置Schottky二極管顯示出一個反向漏電流流過RLIMIT電阻，產生不希望的偏移。在這個例子中使用的BAS40提供了一個非常低的泄漏電流200毫安，保持最小的偏移誤差。您也可以選擇減小RLIMIT電阻，以將這些偏移誤差減至最小，而折衷方法是增加故障電流。故障電流的增加需要一個額定功率更高的電阻器。
然而，二極管漏電流隨反向電壓的變化很小，因此，二極管之間的反向漏電流失配會導致輸入電壓的非線性誤差很小。此外，二極管的漏電流隨溫度呈指數增長。例如，這種Schottky的典型漏電流在25⁰C時約爲~20nA；但是，在85⁰C時，這種漏電流可增加到2μA，在100⁰C以上時可增加到10μA。
幸運的是，一些現代精密運算放大器提供集成輸入過電壓保護，消除了這種類型的外部鉗位電路的需要。圖4顯示了OPA2206的集成輸入保護。它的輸入受到保護，使電壓超過任一電源的±40 V，或在電源關閉的情況下達到±40 V。
圖4集成運放輸入保護夾隨着輸入過載而改變阻抗，在EOS期間提供保護，同時將正常運行期間的影響降至最低。
OPA2206的內部保護電路在正常信號條件下提供低串聯阻抗，從而保持所需的運算放大器精度。但是，如果輸入過載，保護電路會增加串聯阻抗，並將輸入電流限制在大約±5毫安的值。因此，集成的輸入保護夾使您能夠獲得準確的結果與可靠的保護，同時降低成本和縮小解決方案的規模。
過電壓保護是一個廣泛的課題，所示的方法只是保護運放輸入的許多不同方法中的一部分。更多信息，請查看TI Precision Labs–Electrical Overstress視頻系列。本系列將詳細介紹EOS運放保護以及如何爲您的應用設計合適的鉗位電路。