應用ADA4177系列輸入過壓保護運算放大器的實際設計考慮

簡介

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

此外，最近的創(chuàng)新已經(jīng)開始關注與放大器正常工作無關的環(huán)境因素。實例包括在放大器前端中集成電磁干擾(EMI)抑制和過壓保護(OVP)特性。

抑制外部噪聲源包括消除距離很近的開關器件或無線通信信號(來自WiFi、手持式無線電和手機等移動通信設備)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計的一個特性，ADI公司對此非常積極。

同樣，保護運算放大器輸入端免受高于正供電軌或低于負供電軌的電壓影響也是這種創(chuàng)新的一個目標。

自1994年發(fā)布OPx91系列以來，ADI公司一直是OVP放大器市場的領軍企業(yè)。OPx91是業(yè)界首款集成OVP的放大器，提供最高10 V保護，可防止電路在過壓事件期間受到過大電流影響。2008年發(fā)布的ADA4091系列運算放大器將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的標準。

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、精密運算放大器。它還給OVP解決方案增加一個額外特性，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EMI濾波器。

ADA4177系列為運算放大器的魯棒操作樹立了新的標準。本應用筆記探討ADA4177 OVP特性的應用，并就新OVP允許用戶擴展保護范圍，同時防止輸入端過流并限制自熱效應的方式提供指導。

AN-1387 應用筆記

ADA4177限流與不限流

圖1顯示了一個用于測量ADA4177在過壓事件期間的輸入電流的測試電路。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，同時測量輸入偏置電流。

圖1. 過壓限流測量電路

圖2顯示了ADA4177和標準精密運算放大器的測量結(jié)果，用5 V電源進行測試。注意在20 V時，ADA4177輸入電流是標準運算放大器的三分之一。如果用戶想進一步限制輸入電流，可以外加一個串聯(lián)電阻。增加此電阻會提高系統(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)部過壓電路的貢獻。

圖2. ADA4177輸入限流與帶500 分立電阻的無保護運算放大器

在過壓事件期間保護電源

保護運算放大器輸入端免受過壓影響的一種常見方法，是將小信號或肖特基二極管連接在輸入引腳與正負電源之間。圖3顯示了這種方法的原理圖。肖特基二極管的導通電壓為0.4 V，比小信號二極管低大約0.2 V。這種相對差異可在發(fā)生過壓事件時防止運算放大器的內(nèi)部ESD二極管導通。

增加ROVP電阻可提供額外的限流能力，不過熱噪聲會提高。關于這種方案的詳細分析及其局限性，參見技術文章“魯棒的放大器提供集成過壓保護”。

圖3. ROVP、D1和D2提供輸入過壓保護

這種方案的工作原理是將電流路由到運算放大器輸入端以外的地方。然而，當電流被注入電源時，適當?shù)慕鉀Q方案便要取決于涉及到的應用和電路。如果電源為低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，VCC和VEE的設計很可能只能沿一個方向路由電流。圖4顯示了一個低壓差穩(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是一個串聯(lián)PMOS調(diào)整管，設計用來提高電源可以流出的電流量。由此可推斷，VOUT不是設計用于吸收電流。因此，如果圖3所示的過壓保護將電流注入電源，該電流將經(jīng)過R1和R2分壓器，這會隨著過壓而線性提升電源。

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

圖5. ADA4177輸入保護概念原理圖

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

利用限流電阻擴展輸入OVP保護范圍并使OVP事件期間的自熱效應最小

ADA4177輸入端配有限流JFET。在過壓或差分故障期間，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。

與此相關的工程權(quán)衡結(jié)果是，限流可能不是低到能滿足所有應用的需求。如圖6所示，在10 V過壓(OV)時，正輸入端吸收大約7.5 mA電流。功耗(PD)計算如下：

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壓狀況影響且時間不定的情況下，功耗可能會將結(jié)溫快速提升到最大值150°C。

圖6. 正/負過壓狀況下的輸入電流

如果所有輸入可能會同時經(jīng)受長時間(>500 ms)過壓，則輸入端必須串聯(lián)限流電阻。此電阻不僅能擴展器件的過壓范圍，還能分擔過壓期間的功率負荷。圖7所示為ADA4177-4在32 V過壓事件期間的功耗，一條曲線反映的是僅兩個正輸入端經(jīng)受過壓，另一條曲線反映的是所有四個正輸入端同時經(jīng)受過壓。圖7顯示了兩個/四個輸入端經(jīng)受32 V過壓時ADA4177的功耗與附加輸入串聯(lián)電阻的關系。

圖7. ADA4177-4在過壓期間的功耗

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

圖8. ADA4177-4在過壓期間的溫度升幅

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

此外，過壓保護范圍也從32 V提高到50 V，因為外部電阻會分擔一部分過壓負荷。

參考文獻

ADA4177-4產(chǎn)品頁面和數(shù)據(jù)手冊

ADA4177-2產(chǎn)品頁面和數(shù)據(jù)手冊

ADA4177-1產(chǎn)品頁面和數(shù)據(jù)手冊

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

修訂歷史

2015年12月—修訂版0：初始版