應(yīng)用ADA4177系列輸入過(guò)壓保護(hù)運(yùn)算放大器的實(shí)際設(shè)計(jì)考慮

簡(jiǎn)介

ADI公司的精密和高速運(yùn)算放大器產(chǎn)品線(xiàn)具有悠久的創(chuàng)新傳統(tǒng)。有些創(chuàng)新旨在降低功耗，同時(shí)保持甚至改善速度和噪聲性能;有些創(chuàng)新旨在通過(guò)降低失調(diào)、熱漂移、電源抑制和共模電壓變化來(lái)提高精度。

此外，最近的創(chuàng)新已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注與放大器正常工作無(wú)關(guān)的環(huán)境因素。實(shí)例包括在放大器前端中集成電磁干擾(EMI)抑制和過(guò)壓保護(hù)(OVP)特性。

抑制外部噪聲源包括消除距離很近的開(kāi)關(guān)器件或無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)(來(lái)自WiFi、手持式無(wú)線(xiàn)電和手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備)的電磁與射頻干擾的影響。EMI濾波元件的集成和規(guī)格已成為許多放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)特性，ADI公司對(duì)此非常積極。

同樣，保護(hù)運(yùn)算放大器輸入端免受高于正供電軌或低于負(fù)供電軌的電壓影響也是這種創(chuàng)新的一個(gè)目標(biāo)。

自1994年發(fā)布OPx91系列以來(lái)，ADI公司一直是OVP放大器市場(chǎng)的領(lǐng)軍企業(yè)。OPx91是業(yè)界首款集成OVP的放大器，提供最高10 V保護(hù)，可防止電路在過(guò)壓事件期間受到過(guò)大電流影響。2008年發(fā)布的ADA4091系列運(yùn)算放大器將OVP性能水平提高到25 V。隨后，2011年發(fā)布的ADA4096系列將OVP性能水平提高到32 V，這在如今仍然是集成保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，ADA4177系列(ADA4177-1、ADA4177-2、ADA4177-4)的發(fā)布首次將ADI集成OVP解決方案引入低噪聲、精密運(yùn)算放大器。它還給OVP解決方案增加一個(gè)額外特性，即在OVP事件期間防止輸入電流提升正電壓軌，另外還給增加了一個(gè)EMI濾波器。

ADA4177系列為運(yùn)算放大器的魯棒操作樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記探討ADA4177 OVP特性的應(yīng)用，并就新OVP允許用戶(hù)擴(kuò)展保護(hù)范圍，同時(shí)防止輸入端過(guò)流并限制自熱效應(yīng)的方式提供指導(dǎo)。

AN-1387 應(yīng)用筆記

ADA4177限流與不限流

圖1顯示了一個(gè)用于測(cè)量ADA4177在過(guò)壓事件期間的輸入電流的測(cè)試電路。放大器配置為單位增益，在電源上下15 V范圍內(nèi)掃描正輸入，同時(shí)測(cè)量輸入偏置電流。

圖1. 過(guò)壓限流測(cè)量電路

圖2顯示了ADA4177和標(biāo)準(zhǔn)精密運(yùn)算放大器的測(cè)量結(jié)果，用5 V電源進(jìn)行測(cè)試。注意在20 V時(shí)，ADA4177輸入電流是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的三分之一。如果用戶(hù)想進(jìn)一步限制輸入電流，可以外加一個(gè)串聯(lián)電阻。增加此電阻會(huì)提高系統(tǒng)的輸入噪聲(其等于電阻熱噪聲與放大器輸入噪聲的均方根和)。ADA4177噪聲規(guī)格包括內(nèi)部過(guò)壓電路的貢獻(xiàn)。

圖2. ADA4177輸入限流與帶500 分立電阻的無(wú)保護(hù)運(yùn)算放大器

在過(guò)壓事件期間保護(hù)電源

保護(hù)運(yùn)算放大器輸入端免受過(guò)壓影響的一種常見(jiàn)方法，是將小信號(hào)或肖特基二極管連接在輸入引腳與正負(fù)電源之間。圖3顯示了這種方法的原理圖。肖特基二極管的導(dǎo)通電壓為0.4 V，比小信號(hào)二極管低大約0.2 V。這種相對(duì)差異可在發(fā)生過(guò)壓事件時(shí)防止運(yùn)算放大器的內(nèi)部ESD二極管導(dǎo)通。

增加ROVP電阻可提供額外的限流能力，不過(guò)熱噪聲會(huì)提高。關(guān)于這種方案的詳細(xì)分析及其局限性，參見(jiàn)技術(shù)文章“魯棒的放大器提供集成過(guò)壓保護(hù)”。

圖3. ROVP、D1和D2提供輸入過(guò)壓保護(hù)

這種方案的工作原理是將電流路由到運(yùn)算放大器輸入端以外的地方。然而，當(dāng)電流被注入電源時(shí)，適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案便要取決于涉及到的應(yīng)用和電路。如果電源為低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，VCC和VEE的設(shè)計(jì)很可能只能沿一個(gè)方向路由電流。圖4顯示了一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器的典型概念原理圖，其中輸出電壓由下式確定：

圖4. 低壓差穩(wěn)壓器概念原理圖

MP1是一個(gè)串聯(lián)PMOS調(diào)整管，設(shè)計(jì)用來(lái)提高電源可以流出的電流量。由此可推斷，VOUT不是設(shè)計(jì)用于吸收電流。因此，如果圖3所示的過(guò)壓保護(hù)將電流注入電源，該電流將經(jīng)過(guò)R1和R2分壓器，這會(huì)隨著過(guò)壓而線(xiàn)性提升電源。

如果過(guò)壓發(fā)生在電源通電的情況下，電源電壓可能會(huì)超過(guò)系統(tǒng)的目標(biāo)工作電壓。如果過(guò)壓發(fā)生在系統(tǒng)關(guān)斷的情況下，OVP電流可能會(huì)意外地讓系統(tǒng)上電。ADA4177有內(nèi)部電路可防止正過(guò)壓提升電源。

圖5. ADA4177輸入保護(hù)概念原理圖

圖5為ADA4177正輸入端的概念原理圖。如果VIN超過(guò)VCC，限流FET J1B就會(huì)使過(guò)壓電流流入QP1的發(fā)射極。此電流由QP1的電流增益(或β)減小，使得過(guò)壓電流路由至負(fù)電源，而不是正電源。

利用限流電阻擴(kuò)展輸入OVP保護(hù)范圍并使OVP事件期間的自熱效應(yīng)最小

ADA4177輸入端配有限流JFET。在過(guò)壓或差分故障期間，這些JFET限制電流流入放大器，從而提高器件的魯棒性和可靠性。然而，為使正常工作期間的輸入噪聲保持最小，這些FET必須很大。

與此相關(guān)的工程權(quán)衡結(jié)果是，限流可能不是低到能滿(mǎn)足所有應(yīng)用的需求。如圖6所示，在10 V過(guò)壓(OV)時(shí)，正輸入端吸收大約7.5 mA電流。功耗(PD)計(jì)算如下：

PD = 10 V × 7.5 mA = 7.5 mW

θJA為158 W/°C，因而溫度升幅約為12°C。如果ADA4177-4用在所有控制輸入都可能受過(guò)壓狀況影響且時(shí)間不定的情況下，功耗可能會(huì)將結(jié)溫快速提升到最大值150°C。

圖6. 正/負(fù)過(guò)壓狀況下的輸入電流

如果所有輸入可能會(huì)同時(shí)經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間(>500 ms)過(guò)壓，則輸入端必須串聯(lián)限流電阻。此電阻不僅能擴(kuò)展器件的過(guò)壓范圍，還能分擔(dān)過(guò)壓期間的功率負(fù)荷。圖7所示為ADA4177-4在32 V過(guò)壓事件期間的功耗，一條曲線(xiàn)反映的是僅兩個(gè)正輸入端經(jīng)受過(guò)壓，另一條曲線(xiàn)反映的是所有四個(gè)正輸入端同時(shí)經(jīng)受過(guò)壓。圖7顯示了兩個(gè)/四個(gè)輸入端經(jīng)受32 V過(guò)壓時(shí)ADA4177的功耗與附加輸入串聯(lián)電阻的關(guān)系。

圖7. ADA4177-4在過(guò)壓期間的功耗

圖8顯示了ADA4177-4在相同過(guò)壓事件期間的溫度升幅，使用假設(shè)的θJA (158 W/°C)來(lái)計(jì)算芯片溫度的升幅，其繪制方式與圖7所示功耗相同。

圖8. ADA4177-4在過(guò)壓期間的溫度升幅

例如，將一個(gè)2 kΩ電阻與正輸入端串聯(lián)可使ADA4177在過(guò)壓期間的功耗減半，而在正常工作期間，其僅給系統(tǒng)增加大約1 nV/√Hz的噪聲。增加此電阻會(huì)限制過(guò)壓期間的溫度升幅。若沒(méi)有此電阻，當(dāng)所有四個(gè)輸入端都經(jīng)受過(guò)壓時(shí)，溫度上升可能達(dá)到大約150°C;若有該外部電阻，溫度上升僅為大約75°C。類(lèi)似地，若有兩個(gè)輸入端經(jīng)受過(guò)壓，在沒(méi)有此電阻的情況下，溫度上升可能達(dá)到大約70°C;在有該電阻的情況下，溫度上升僅為大約40°C。

此外，過(guò)壓保護(hù)范圍也從32 V提高到50 V，因?yàn)橥獠侩娮钑?huì)分擔(dān)一部分過(guò)壓負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)

ADA4177-4產(chǎn)品頁(yè)面和數(shù)據(jù)手冊(cè)

ADA4177-2產(chǎn)品頁(yè)面和數(shù)據(jù)手冊(cè)

ADA4177-1產(chǎn)品頁(yè)面和數(shù)據(jù)手冊(cè)

Eric Modica和Michael Arkin，“魯棒的放大器提供集成過(guò)壓保護(hù)”，Analog Dialogue，46-02，2012年2月

修訂歷史

2015年12月—修訂版0：初始版