图1. 用于过压保护的经典箝位电路
二极管箝位电路的权衡取舍—降低
虽然图1中的经典电路可以保护运算放大器输入端,但它会向信号路径上引入大量误差。精密放大器的输入失调电压(VOS)通常为微伏等级。例如,ADA4077在?40°C至+125°C的完整工作温度范围内的VOS为35 μV。添加外部二极管和限流电阻会引入输入失调误差,该误差经常会比精密运算放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 模拟对话 50-05,2016 年5 月当输入信号电压 (VIN) 在供电轨之间的时候,二极管DOVPP和DOVPN具有反向电压。当VIN为地电平时(输入电压范围的中点),经过DOVPN的反向电流大致等于经过DOVPP的反向漏电流。然而,当VCM变为地电平以上或以下时,其中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等于运算放大器输入电压范围的值时—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,这可能会导致反向漏电流接近100 nA。当反向漏电流从输入信号端(VIN) 流过ROVP时,它会在ROVP上造成电压降,看上去就像信号路径上 输入失调电压上升了。
另一个需要担心的地方是,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放大器,以此作为对照基准,该 图显示了ADA4077在?13 V至+13 V输入电压范围内的失调电压测量值。在三个温度下进行测量:25°C、85°C和125°C。注 意在25°C时,本测试中的ADA4077 VOS仅达到了6 μV;哪怕在125°C,VOS也只有大约20 μV。当我们把外部箝位OVP电路加入同一个ADA4077器件,并在VIN端施加输入电压时,可以看到如图3所示的结果。在室温下,VOS跳跃至30 μV—是单个ADA4077信号路径误差的5倍。在125°C时,VOS超过15 mV—等于ADA4077 20 μV的750倍之多!下降了。
图2. 输入失调电压与ADA4077输入电压的关系
图3. ADA4077添加OVP箝位电路后输入失调电压与输入电压 的关系
在过压条件时,5 kΩ电阻很好地保护了箝位二极管和运算放大器,但正常工作时,若二极管在它两端有漏电流产生,则会引入较多的失调误差(更不要说来自电阻的约翰逊噪声了)。我们需要的是动态输入电阻,它在额定的输入电压范围内工作时具有低电阻,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 是一款高运算放大器,集成过压保护。集成式ESD二极管用作过压箝位,保护器件。耗尽型FET位于ESD二极管之前,与各个输入端串联连接。它们具有动态电阻,会随着输入电压 (VCM) 超过电源电压而增加。随着输入电压上升,内部FET的漏极-源极电阻 (RDSON) 增加,从而限制了跟随电压的上升而呈指数增长的电流(参见图4)。由于ADA4177在输入端采用耗尽型FET,并且由于它不是一个串联保护电阻,因此运算放大器不会在电阻两端产生箝位OVP电路那样的失调电压问题。
图4. ADA4177输入偏置电流随过压的增加而受限
ADA4177输入可耐受电源电压以上32 V的电压。它将过压电流限制在10 mA至12 mA(典型值)范围内,从而不使用任何外部元件即保护了运算放大器。如图5所示,哪怕在125°C 时,该被测单元的失调电压也只有40 μV。该值为箝位电路在此温度下误差值的3%都不到。性能得到了保留!
图5. ADA4177采用集成式OVP时输入失调电压与输入电压的关系
这对系统性能而言意味着什么
分析输入电压的变化对信号路径的影响时,系统设计人员会考虑放大器的共模抑制比 (CMRR)。它表示输出端能抑制多少共模输入电压(或者通过了多少)。由于运算放大器通 常配置为提供输入与输出之间的增益,因此我们以输入失调电压变化为参照归一化CMRR规格(即输出变化除以放大器 闭环增益)。共模抑制比是一个正数值,以dB为单位,计算公式如下:
CMRR = 20 log (ΔVCM/ΔVOS)
从这个比值中可以看到,有必要保持VOS尽量低。ADA4177额定值在完整的工作温度范围内保证具有125 dBCMRR限值。通过本实验中被测单元的测试结果可以计算并对比箝位 电路和ADA4177的CMRR。表1显示了使用经典箝位二极管电路时的极大损失,以及集成FET过压保护的ADA4177的 出色CMRR性能。
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