Защита входов от перенапряжений. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей. Главы 29 и 30 посвящены вопросам защиты входов от перенапряжений и влиянию дифференциальных ограничительных диодов на работу ОУ на входе. Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.
1008
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Защита входов от перенапряжений

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

Схема ОУ с внутренними защитными диодами

Рис. 68. Схема ОУ с внутренними защитными диодами

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Помните, что вам нужно стабильное напряжение питания. Защитные диоды, – как внутренние, так и внешние, – требуют относительно устойчивого напряжения питания для ограничения выбросов. Если мощности воздействующего импульса хватает для того чтобы обеспечить протекание значительного тока, то это вызовет просадку напряжения на выводе питания V+ или скачок напряжения на выводе V-. В результате это может перегрузить вход питания (рисунок 69). Обычный линейный регулятор не сможет обеспечить втекание тока и поддерживать постоянное напряжение питания. Развязывающие конденсаторы большой емкости, подключенные к выводам питания, могут помочь поглотить большой импульс тока помехи. Для фильтрации длительных помех может потребоваться защитный стабилитрон, также подключенный к линиям питания. Напряжение срабатывания для стабилитрона должно незначительно превышать значение максимального напряжения питания, чтобы он включался только при возникновении помех. Стоит отметить, что при использовании биполярного питания (±) также необходимо предусмотреть аналогичную защиту по цепи отрицательного питания.

Для ограничения бросков на выводах питания, возникающих за счет тока, протекающего через защитные диоды, необходим стабилитрон

Рис. 69. Для ограничения бросков на выводах питания, возникающих за счет тока, протекающего через защитные диоды, необходим стабилитрон

Несмотря на принятые меры, мощная помеха по-прежнему может вызвать броски напряжений, которые превысят максимально допустимые значения. Однако смысл состоит в том, что максимально допустимые значения из документации обычно являются очень безопасными и при их достижении разрушение микросхемы маловероятно. Кроме того, существует некоторый запас прочности и выше максимальных значений, однако безопасность в таких случаях уже не гарантируется. Совсем несложно обеспечить ограничение напряжения на пару вольт выше допустимых значений и тем самым добиться весьма высокого уровня выживаемости. Во многих случаях цель заключается в том, чтобы значительно повысить уровень выживаемости без больших затрат и ухудшения параметров схемы.

Невозможно рекомендовать универсальное решение или гарантировать, что конкретная схема защиты будет отвечать всем требованиям, поскольку требования у приложений сильно различаются. Усилители отличаются по уровню встроенной защиты, и необходимый уровень внешней защиты также может быть различным. Если это необходимо, то пожертвуйте некоторым количеством усилителей, и подвергните их жесткому тестированию.

Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

В следующей части я буду писать об использовании операционных усилителей в качестве компараторов. В ней мы рассмотрим влияние встроенных ограничительных диодов на работу таких компараторов. Сейчас же я задаю вопрос: могут ли эти диоды влиять на штатную работу ОУ? Напряжение между входами ОУ должно быть практически равным нулю, не так ли? Таким образом, эти диоды никогда не будут пропускать ток при нормальной работе ОУ…или все таки будут?

А сейчас давайте поговорим о дифференциальных ограничительных диодах, которые могут присутствовать в некоторых ОУ (рисунок 70).

Многие биполярные, JFET- и некоторые типы КМОП-усилителей имеют встроенные дифференциальные ограничительные диоды

Рис. 70. Многие биполярные, JFET- и некоторые типы КМОП-усилителей имеют встроенные дифференциальные ограничительные диоды

Изменения в поведении ОУ зачастую можно заметить в базовых неинвертирующих схемах, в том числе — при работе простого буферного повторителя G = 1. Рассмотрим воздействие ступенчатого импульса напряжения. Выход не может сразу же отреагировать на появление сигнала на входе. Если напряжение импульса больше 0,7 В, то D1 откроется, а сигнал на неинвертирующем входе будет искажен. В течение этого периода, пока операционный усилитель формирует напряжение на выходе, на входе будет наблюдаться бросок тока высокого значения (рисунок 71). В конце концов, когда сигнал на выходе «догонит» сигнал на входе, все снова придет в норму.

Входные защитные диоды могут создавать выбросы тока при подаче входных сигналов с крутым фронтом

Рис. 71. Входные защитные диоды могут создавать выбросы тока при подаче входных сигналов с крутым фронтом

Многие приложения работают с медленными или ограниченными по амплитуде сигналами, скорость изменения которых значительно ниже скорости нарастания ОУ, поэтому описанное выше поведение наблюдаться не будет. В других приложениях, даже при быстром изменении входного напряжения, переходный ток на входе ОУ не оказывает отрицательного влияния на работу схемы. Но в некоторых особых случаях выбросы входного тока могут вызвать проблемы. Примером служит мультиплексированная система сбора данных. Ее упрощенная схема, включающая два входных канала, показана на рисунке 72.

Система сбора данных может работать некорректно, если переключение между каналами вызывает резкое изменение напряжения на входах ОУ, открывающее диоды D1 или D2

Рис. 72. Система сбора данных может работать некорректно, если переключение между каналами вызывает резкое изменение напряжения на входах ОУ, открывающее диоды D1 или D2

В этом примере при переключении мультиплексора с канала 1 на канал 2 на выходе U1 происходит быстрое изменение сигнала с -5 В до +5 В. D1 открывается, из-за чего переходный ток начинает протекать через мультиплексорный переключатель, разряжая конденсатор C2. Входные RC-фильтры используются для поддержания постоянного напряжения во время переключения каналов, но импульс тока частично разряжает C2. В итоге потребуется дополнительное время для перезарядки C2 до получения правильного входного напряжения. В результате получаем снижение скорости мультиплексирования или уменьшение точности.

В данном случае лучшим решением будет замена операционного усилителя U1 на модель без встроенных дифференциальных ограничительных диодов. OPA140 – ОУ с FET-выходами, который отличается малым значением входного тока смещения (что позволяет не нагружать последовательное сопротивление MUX) и не имеет дифференциальных защитных диодов. Это как раз то, что нужно для мультиплексированных входов. Усилитель OPA827 – отличный выбор для большинства приложений. Среди его достоинств: FET-входы, небольшой уровень шума, высокая скорость. Однако у него есть дифференциальные защитные диоды, поэтому OPA827, скорее всего, будет не лучшим выбором для рассмотренной схемы мультиплексора.

Я, конечно, не хочу, чтобы создавалось впечатление, что использование операционных усилителей с дифференциальными защитными диодами является рискованным мероприятием, и что их следует избегать. Это вовсе не так. Но, зная особенности этих ОУ, вы можете делать более осознанный выбор в тех редких случаях, когда такие усилители могут повлиять на правильную работу ваших схем.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPAMPEVM-SOIC
OPAMPEVM-SOIC
Texas Instruments
Арт.: 160396 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in SOIC Packages
OPAMPEVM-SOIC
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-PDIP
OPAMPEVM-PDIP
Texas Instruments
Арт.: 160423 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in PDIP Packages
OPAMPEVM-PDIP
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23SHDN
OPAMPEVM-SOT23SHDN
Texas Instruments
Арт.: 160424 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps with Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23SHDN
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
Texas Instruments
Арт.: 160425 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in MSOP/TSSOP Packages
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
-
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1A
DEM-OPA-SO-1A
Texas Instruments
Арт.: 269936 ИНФО PDF
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1A Unpopulated PCB Compatible w/High Speed Wide Bandwidth Op Amps in 8-lead SOIC (D) Pkg
DEM-OPA-SO-1A
-
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1B
DEM-OPA-SO-1B
Texas Instruments
Арт.: 269937 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Single op-amp SO-8 (Non-Inverting) generic evaulation module
DEM-OPA-SO-1B
-
Поиск
предложений
OPA827AID
OPA827AID
Texas Instruments
Арт.: 317525 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, JFET, 30MHZ, LN, 8SOIC; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:Precision; Gain, Bandwidth -3dB:22MHz; Slew Rate:28V/чs; Voltage, Supply Min:4V; Voltage, Supply Max:18V; Termination Type:SMD; Case Style:SOIC; Pins, No.…
OPA827AID
-
Поиск
предложений
OPA827AIDG4
OPA827AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 323919 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Low-Noise, High-Precision, JFET-Input Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA827AIDG4
-
Поиск
предложений
OPA827AIDGKR
OPA827AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 386990 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP JFET 1 CIRCUIT 8VSSOP
OPA827AIDGKR
-
Поиск
предложений
OPA827AIDR
OPA827AIDR
Texas Instruments
Арт.: 386992 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC HI-PREC OPAMP JFET IN 8-SOIC
OPA827AIDR
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23
OPAMPEVM-SOT23
Texas Instruments
Арт.: 387061 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps without Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23
-
Поиск
предложений
OPA140AID
OPA140AID
Texas Instruments
Арт.: 623675 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA140AID
-
Поиск
предложений
OPA140AIDGKR
OPA140AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 623676 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, PRECISION, 11MHZ, 20V/us, MSOP-8
OPA140AIDGKR
-
Поиск
предложений
OPA140AIDBVR
OPA140AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 791295 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
HIGH-PRECISION, LOW-NOISE, RAIL-TO-RAIL OUTPUT,11MHZ JFET OP AMP
OPA140AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA140AIDBVT
OPA140AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 791296 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA140AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVR
OPA320AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856686 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Precision, 20MHz, 0.9pA Ib, RRIO, CMOS Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA320AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVT
OPA320AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 856687 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS, 20MHZ, 5SOT23, FULL REEL
OPA320AIDBVT
-
Поиск
предложений
DIP-ADAPTER-EVM
DIP-ADAPTER-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1111445 ИНФО
Поиск
предложений
Макетная плата  DIP-адаптеров SMD микросхем.
DIP-ADAPTER-EVM
-
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVR
OPA320SAIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 1204054 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC CMOS 1 CIRCUIT SOT23-6
OPA320SAIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVT
OPA320SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1204055 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, OP-AMP, SINGLE, 20MHZ, SOT-23-6
OPA320SAIDBVT
-
Поиск
предложений
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО
Поиск
предложений
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM
-
Поиск
предложений
OPA320AQDBVRQ1
OPA320AQDBVRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2287997 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT SOT23-5
OPA320AQDBVRQ1
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535 ИНФО
Поиск
предложений
Универсальная PCB  для усилителей TI в корпусах SOIC.
DIYAMP-SOIC-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SC70-EVM
DIYAMP-SC70-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2549437 ИНФО
Поиск
предложений
Оценочный модуль универсального DIY усилителя.
DIYAMP-SC70-EVM
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()