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操作AMP输入保护可能很嘈杂

发布时间:2025-02-09 责任编辑:lina

【导读】尽管ESD二极管旨在承受ESD脉冲,但持续时间更长的电压事件将需要其他外部组件。大多数输入ESD保护二极管的设计旨在承受10 mA的连续电流,但是电气过力故障通常会导致电流超出10 ma极限。


尽管ESD二极管旨在承受ESD脉冲,但持续时间更长的电压事件将需要其他外部组件。大多数输入ESD保护二极管的设计旨在承受10 mA的连续电流,但是电气过力故障通常会导致电流超出10 ma极限。


操作AMP输入保护可能很嘈杂

  图1 OP放大器具有输入和输出ESD保护二极管。资料来源:德州仪器


一种用于限制Op-Amp输入过度电流的常见方法是,在每个电源上只添加输入电流电阻器和瞬态电压抑制器(TVS)二极管(图2)。电阻器将限制输入电流,但某些过电压仍将导向电源。 TVS二极管将保护电源免受通过ESD二极管引导的过量电压。

  

您需要电视二极管,因为许多电压调节器没有沉没电流的能力,也不能足够快地响应以保护供应。保护OP放大所需的电阻值取决于输入上过度信号的大小。大型的信号将需要大的电阻。
  

图2中的示例使用10-kΩ电阻器将电流限制为3.13 mA的安全水平,用于50 V超重信号。使用图2中的保护方案可能非常有效,但确实有一些限制。


操作AMP输入保护可能很嘈杂

图2上面显示的电气过力(EOS)保护方案使用OPA205精密操作放大器。资料来源:德州仪器
  

由于运算放大输入偏置电流(I B),电阻将引入DC偏移误差。此误差将直接添加到OP放大器的输入偏移电压(V OS),并限制电路的直流准确性。电阻输入保护的另一个局限性是电阻会产生热噪声。公式1计算噪声密度为:
  

e nrin =√4xkx t x r在      (1)中
  

然后,您应该将此噪声与运算放大器噪声频谱密度规范进行比较。
  

在图2所示的示例中,输入噪声规范为7.2 NV/√Hz,电阻器生成12.8 NV/√Hz。因此,整体噪声将由保护电阻主导,并且将比单独的OP放大器的噪声高得多。
  

Entotal√ (7.2 NV/√Hz)2 +(12.8 NV/√Hz)2 = 14.7 NV/√Hz(2 )
  

图3中所示的连接场效应晶体管(JFET)输入保护方案是一种实现可靠的输入保护的方法,同时地减少了I B和电阻器噪声的错误。当没有电流流过它时,JFET电路具有低电阻,但是当电流流过它时,电阻会迅速增加。


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  图3 JFET输入保护显示了在故障条件下的电路操作。资料来源:德州仪器

  

因此,在正常工作条件下,JFET电路具有较低的电阻,并增加噪声,并且I B错误。在断层条件下,JFET设备将迅速增加,这将限制电流并保护电路。当故障删除时,JFET将返回其正常的低阻抗状态。
  

您可以使用离散JFET构建此类JFET电路,但也集成到某些放大器中。通常,当您在放大器数据表中看到一词“输入 - 反电压保护”时,保护是JFET输入保护。使用集成保护可以节省PCB区域,节省设计工作,并通常降低总体成本。
  

JFET基本面的评论
  

为了了解JFET保护,让我们回顾一些JFET基本面。该ARICE将重点放在P通道JFET设备上,但是相同的方法适用于具有极性逆转的N通道设备。您可以将JFET晶体管视为电压控制的电阻,其中通道电阻由电压栅极到源(V GS)和电压漏极到源(V DS)控制。
  

重要的是要了解JFET以耗竭模式运行。栅极到源交界处是反向偏置的,这会产生限制通道电流(I D)的耗尽区域。增加反向偏置电压将增加耗竭区域,从而增加通道电阻。当V gs = 0 V的耗尽区域时,电阻会发生,如图4所示。


操作AMP输入保护可能很嘈杂

  图4这里是电阻区与耗竭区域之间的比较。资料来源:德州仪器

  

调整V DS也会影响耗竭区域。对于较低的V DS,该通道的作用像电阻,晶体管据说在其欧姆地区或三极区域。在欧姆地区,V ds的增加将导致排水电流的比例增加(i d ),就像您在电阻器上看到的那样(请参见图5的左侧)。
  

对于较高的V DS,通道挤出了,晶体管据说位于饱和区域。在饱和区域中,通过晶体管的电流相对恒定,对于各种排水到源电压(请参见图5的右侧)。


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  图5请参见P通道JFET特征曲线突出显示欧姆和饱和区域。资料来源:德州仪器

  

如前所述,对于JFET,闸门源交界处通常是反向偏置的。当向前偏见时,JFET将不再像晶体管一样起作用,并且图5中的曲线不再适用。在这种情况下,JFET将充当正常的PN连接二极管,正向电压下降约为0.6 V,电流受外部组件的限制。
  

通常,避免前进的操作模式,但是在输入保护电路的情况下,其中一个晶体管将在有超强信号的情况下变得前进
  

JFET保护电路的操作
  

图3中的JFET输入保护显示了在故障条件下的电路操作。此示例将+50 V输入故障应用于具有±18 V电源的OP放大器。晶体管T1充当前向偏置二极管,T2在饱和区域充当JFET,V GS = 0V。
  

假设保护电路中的晶体管使用图5所示的IV曲线,当V GS = 0 V和V DS > –1.5 V(饱和区域)时,I D限制为约2.25 mA 。因此,JFET电路可保护OP放大器免受损坏,因为它将输入电流限制为小于10 ma电流规范。将V GS = 0 V的电流流定义为I DSS,因此IDSS <10 mA是运算放大输入保护所必需的。
  

–50V输入故障将具有相同的效果,但T2将是前向偏置二极管,而T1将在饱和区域。在断层条件下,JFET将充当电流电阻,其中电阻增加了较大的断层电压并保持恒定电流<10 mA。
  

在正常运行期间,两个JFET晶体管将位于欧姆区域,并且电阻相对较低。此外,在正常操作期间,通过JFET的电流流将是Op-Amp输入偏置电流(范围通常为femtotemperes to nanoAmperes)。您可以通过查看具有V GS = 0 V的I D曲线的斜率来以图形方式估计欧姆区的电阻。
  

对于图5中指定的晶体管,欧姆区电阻约为500Ω(r ds = 1 v/2 mA =500Ω)。相反,在图3所示的断层条件下,JFET位于饱和区域,其电阻约为13.7kΩ。
  

重要的一点是,在正常工作条件下,JFET电阻很小。因此,热噪声将很低(对于500Ω)。在断层条件下,电阻很高,但是在这种情况下,热噪声并不重要,因为放大器不正常起作用,并且电阻只需要保护OP放大器免受损坏即可。
  

为离散保护电路选择JFET
  

一些OP放大器(例如OPA206)将JFET保护电路纳入设备中。如果放大器不包括JFET,则可能需要构建自己的保护电路。如果关注热噪声或偏置引起的偏移,则可能需要使用JFET保护电路。如果噪声和I B错误不是问题,则可以简单地使用大型输入电阻器,如图2所示。
  

假设您需要JFET输入保护,则应确认的排水 - 源饱和电流(I DSS)<10 mA,以使JFET在故障条件下足够限制输入电流。另外,由于两个JFET晶体管之一将具有向前偏置的闸门交界处,因此您必须确认的正向门电流小于I dss(I GF)。dss
  

确保不要超过的排水 - 门和源对门电压。,用V GS = 0 V计算欧姆区电阻,以确认从误差的角度可以接受在非衰竭条件下的电阻。


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