高靈敏度運(yùn)算放大器應(yīng)用中的過壓保護(hù)(OVP)

概述

    對(duì)于要求過壓保護(hù)和低失真，低噪聲，高帶寬的放大器應(yīng)用，必須特別注意過壓保護(hù)(OVP)的設(shè)計(jì)。導(dǎo)致過壓可能是人為的錯(cuò)誤，例如把放大器的輸入端對(duì)高壓電源短路，也可能是應(yīng)用中固有的錯(cuò)誤，例如變送器通常輸出的電壓要高于放大器的電源電壓。

    很多放大器過壓保護(hù)的方法是使用二極管旁路過壓電流對(duì)地或者對(duì)電源。這些二極管的電容和泄漏電流會(huì)導(dǎo)致失真和帶寬降低。本文會(huì)回顧反向偏置二極管的基礎(chǔ)知識(shí)，討論幾種保護(hù)策略，提供幾種方案降低泄漏電流和電容。運(yùn)算放大器用來說明保護(hù)方法，還有很多方法對(duì)分離放大器很適用。

反向偏置二極管基礎(chǔ)

    二極管公式如式1所示，有人可能認(rèn)為反向偏置二極管吸收反向電流I_R等于I_S：

 

    然而，事實(shí)是反向電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于I_S ，而且隨著溫度和反向偏置電壓而變化。I_R正比于PN結(jié)中電荷層的間隔，因?yàn)殡姾蓪拥拈g隔與所加的反向電壓有關(guān)，因此I_R可以由式2表示：

    對(duì)于不同的制造商，n的變化可以從2到4，通?？梢詮亩O管的說明書中得到I_R與V_R的關(guān)系曲線。

    一條被廣泛接受的規(guī)律是溫度增加10°C時(shí)PN結(jié)的反向電流加倍。從這條規(guī)律和一個(gè)參考點(diǎn)，我們可以建立式3說明反向電流和溫度的關(guān)系：

    I₀是溫度T₀時(shí)的反向電流。通常可以從二極管的說明書中得到I_R與T的關(guān)系曲線。

    低于內(nèi)建電位(硅管大約為0.7V)時(shí)二極管的電容由式4表達(dá)：

    C_j0是0V時(shí)PN結(jié)的電容，Φ₀是嵌入電壓，M是等級(jí)系數(shù)，它是P材料和N材料的比值。公式4中對(duì)于反向偏置電壓V_R是負(fù)電壓，對(duì)于正向偏置電壓V_R 是正電壓。該公式對(duì)于反向偏置電容是一個(gè)很好的模型，對(duì)于達(dá)到嵌入電壓的一半的正向偏置電容也是一個(gè)很好的模型。通?？梢詮亩O管的說明書中得到C_R與V_R的關(guān)系曲線。

基本的二極管保護(hù)

    很多IC 都有內(nèi)部的靜態(tài)放電(ESD)保護(hù)。很多內(nèi)部ESD保護(hù)電路的嵌位二極管連接到電源，所以它旁路ESD尖峰到電源。如果電流通過串聯(lián)電阻限制，可以說這些二極管足夠處理過壓保護(hù)了；但是，每一個(gè)IC具有不同的情況，ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)也不同。

最好從外部在電源端加鉗位二極管，以減少或消除流入IC的過壓電流(圖1)。

圖1. 基本的二極管保護(hù)電路，利用電源端的外部鉗位二極管旁路電源的ESD沖擊。

   

    圖1中的二極管保護(hù)方法是將放大器的輸入電壓鉗位到V_CC + V_FBD和V_EE - V_FBD，V_FBD是二極管的正向電壓。過壓電流由R_LIMIT限制，如式5所示:

    其中V_SUPPLY是V_EE或者V_CC。 這種保護(hù)方法也適用反相運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)， R_LIMIT也是增益設(shè)置電阻。

    普通硅二極管的正向電壓與內(nèi)部ESD二極管的很接近，也就是說出現(xiàn)過壓時(shí)，內(nèi)部和外部二極管共同分擔(dān)過壓電流。因?yàn)槲覀儾恢纼煞N二極管的正向電壓是否匹配，我們可以假設(shè)所有的過壓電流都通過了內(nèi)部的ESD二極管。業(yè)界廣泛接受的方式是設(shè)定R_LIMIT使電流不超過5mA 。

    肖特基二極管具有更低的正向電壓(0.3V)，經(jīng)常用這種保護(hù)結(jié)構(gòu)來旁路故障電流。但是，最低泄漏電流的肖特基二極管的泄漏電流要比最低泄漏電流的硅二極管大幾個(gè)量級(jí)。對(duì)于輸入電流為納安或者更低的應(yīng)用，肖特基二極管的泄漏電流不能容忍。另外，肖特基二極管的正向電壓很容易隨著溫度和正向偏置電流增加到0.7V，很通用的1N5711肖特極二極管的正向電壓在室溫和15mA偏置電流時(shí)為1V。

    當(dāng)放大器的輸入偏置電流很小時(shí)，保護(hù)二極管的反向偏置漏電流就變得很重要。理論上，所有保護(hù)二極管的泄漏電流是相等的，而且不會(huì)引入偏差。但是，實(shí)際應(yīng)用中的二極管很難達(dá)到完全匹配，而且泄漏電流會(huì)隨著輸入電壓和溫度而變化，這些都會(huì)引入偏移誤差和非線性。經(jīng)驗(yàn)證明，最大反向泄漏電流要比放大器的輸入偏置電流小10倍。

    保護(hù)二極管的反向偏置電容，C_R，也是需要考慮的很重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)二極管都會(huì)有這個(gè)電容，與 R_LIMIT相結(jié)合，會(huì)形成低通濾波器，其截止頻率可通過式6計(jì)算：

    因?yàn)镃_R是電壓的函數(shù)，所以輸入電壓擺幅較大時(shí)會(huì)引起明顯的非線性。

    保護(hù)電路的恢復(fù)時(shí)間也許是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)二極管是正向偏置時(shí)，電荷儲(chǔ)存在PN結(jié)的損耗區(qū)。為了關(guān)斷二極管，必須把電荷從損耗區(qū)清除。高速開關(guān)二極管制造商通常會(huì)給出反向恢復(fù)時(shí)間trr，但是低泄漏二極管制造商通常不會(huì)給出這個(gè)指標(biāo)。如果沒有給出，我們可以測(cè)量得到這個(gè)指標(biāo)。

    很多IC公司提供封裝的二極管陣列，這些IC具有很好的反向泄漏電流和電容指標(biāo)。例如MAX3202E ESD 保護(hù)二極管陣列僅有1nA (最大值)的漏電流，每個(gè)通道僅有5pF的電容。如果需要更低的反向泄漏電流，可連接2N3904系列的二極管。Vishay提供的PAD1二極管具有更低的反向泄漏電流和電容：1pA (最大值)和0.8pF (最大值)。

二極管對(duì)地保護(hù)

    旁路過壓電流意味著電源必須吸收電流。很多電源不能吸收電流，如果電源總的負(fù)載比故障電流大很多或者電源具有過壓保護(hù)，也是可以接受的。否則，電源電壓將會(huì)上升，從而引起器件損壞。

圖2. 該OVP電路利用齊納二極管將過壓電流旁路到地

    齊納二極管作為過壓保護(hù)器利用限流電阻將故障電流旁路到地(圖2)。注意，當(dāng)齊納電壓低于電源電壓時(shí)保護(hù)才會(huì)起作用。

    過壓電流受R_LIMIT限制，由式7確定：

    V_FBZ是齊納二極管的正向壓降，V_RBZ是齊納二極管的反向壓降，它們都與溫度和偏置電流有關(guān)。它們的和必須小于電源電壓，這樣放大器內(nèi)部的ESD二極管才不會(huì)導(dǎo)通。

    通常齊納二極管的反向漏電流要大于硅二極管，反向電流會(huì)隨著電壓接近擊穿電壓而迅速增大，有時(shí)我們把I-V曲線看作“膝形”曲線。如果輸入信號(hào)擺幅很大，就會(huì)引入非線性。齊納二極管的電容也隨著電壓而變化，而且要比硅二極管大。

    可以并聯(lián)齊納二極管以及串聯(lián)硅二極管來改善帶寬和漏電流等特性(圖3)，過壓電流受R_LIMIT限制，由式8確定：

圖3. 改善帶寬和漏電流特性的齊納二極管保護(hù)電路，并聯(lián)齊納二極管，并增添了串聯(lián)硅二極管

這樣，輸入信號(hào)源的總電容降為2 x C_R。漏電流也降為硅二極管的水平。注意，這一保護(hù)結(jié)構(gòu)也適合反相放大器。

差分二極管保護(hù)

    保持漏電流和電容恒定的最好方法是保持保護(hù)二極管的電壓為0V。差分二極管保護(hù)電路在放大器的正常工作模式下保持0V的偏置(圖4)。出現(xiàn)過壓時(shí)，二極管將故障電流旁路到地。

圖4. 為確保固定的漏電流和電容，圖中的兩個(gè)電路利用差分二極管結(jié)構(gòu)保證在正常工作模式下保護(hù)二極管兩端的電壓為0V

    對(duì)于反相結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，過壓電流受R_LIMIT限制，由式9確定：

    對(duì)于同相結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，過壓電流受R_LIMIT限制，由式10確定：

信號(hào)保護(hù)集成電路

    信號(hào)保護(hù)IC提供過壓檢測(cè)電路以及 MOSFET開關(guān)(圖5)。

圖5. 信號(hào)保護(hù)器，如MAX4505，由過壓檢測(cè)電路和MOSFET開關(guān)組成，出現(xiàn)故障時(shí)，輸入端開路

    當(dāng)輸入信號(hào)在電源電壓范圍內(nèi)，信號(hào)保護(hù)器 如同一個(gè)串聯(lián)電阻，出現(xiàn)過壓時(shí)，信號(hào)保護(hù)器 如同開路。

    使用信號(hào)保護(hù)器有幾個(gè)好處。第一，漏電流很小，能夠滿足多數(shù)應(yīng)用的要求，例如：MAX4505在25°C時(shí)最大漏電流為±500pA；第二，輸入電壓和內(nèi)部無源器件的寄生漏電流和電容沒有很強(qiáng)的依賴關(guān)系；第三，沒有電源時(shí)，信號(hào)保護(hù)器 能夠承受±40V的輸入電壓，輸出為0V，而且不會(huì)產(chǎn)生任何損壞。

    不幸的是對(duì)某些應(yīng)用來說其恢復(fù)時(shí)間太慢，另外，對(duì)成本要求苛刻時(shí)，應(yīng)該使用分立器件。

噪聲考慮

    放大器的偏置電流包含噪聲，當(dāng)電流噪聲流過電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓噪聲。另外，電阻也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲 ，其中，K是波爾茲曼系數(shù)， T是Kelvin溫度，B是帶寬， R是電阻。運(yùn)算放大器電路的所有噪聲由式11給出：

    R_p和R_n是運(yùn)算放大器正極輸入端和負(fù)極輸入端的電阻，R_n通常等于并聯(lián)后的增益設(shè)置電阻(R_F//R_I)。 V_p和V_n是運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的電壓噪聲，I_p和I_n是運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的電流噪聲。式11給出了R_LIMIT通過R_p或R_n對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響(與配置有關(guān))。如果使用齊納管進(jìn)行保護(hù)，請(qǐng)確認(rèn)將齊納管的噪聲添加到方程中。