如何使用過(guò)頂放大器防止模擬前端過(guò)壓

介紹

在工業(yè)應(yīng)用中，發(fā)生高電壓的可能性是一個(gè)持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。找到提供保護(hù)的方法一直是并將繼續(xù)是開發(fā)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。此設(shè)計(jì)技巧說(shuō)明了開發(fā)人員如何利用過(guò)頂 （OTT） 放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。

即使是工業(yè)應(yīng)用，有時(shí)也會(huì)遇到高于系統(tǒng)電源的電壓。雖然這里的電位不像汽車電子那樣高，但它們通常高于通常的系統(tǒng)電壓。對(duì)于許多運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，某些系統(tǒng)電壓甚至可能過(guò)高。這給模擬前端（AFE）帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。例如，較高的電壓會(huì)使典型放大器的內(nèi)部輸入二極管導(dǎo)通。這種狀態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生故障甚至故障的可能性就越大。開發(fā)人員可以使用外部保護(hù)電路（例如外部二極管或電阻器）采取相應(yīng)的預(yù)防措施。然而，這些額外的元件需要電路板上的空間，并且具有漏電流、額外電容和噪聲等缺點(diǎn)。因此，采用 Over-The-Top 技術(shù)的集成 IC 解決方案是首選。

OTT如何工作？

為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，可以考慮最新一代ADA4098-1或ADA4099-1的內(nèi)部。這些 OTT 運(yùn)算放大器每個(gè)都有兩個(gè)輸入級(jí)。第一個(gè)是共發(fā)射極差分級(jí)，由PNP晶體管組成，用于負(fù)電源（–V）之間的輸入信號(hào)S），最高電壓比正電源低約 1.25 V（+VS).第二個(gè)是共基極輸入級(jí)，由其他PNP晶體管組成，用于共模電壓為+V的輸入信號(hào)S– 1.25 V 或更高。內(nèi)部電路示例如圖1所示。第一級(jí)設(shè)計(jì)有晶體管Q1和Q2，而第二級(jí)設(shè)計(jì)有晶體管Q3至Q6。

圖1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化表示（取自最新一代ADA4098-1）。

因此，這些輸入級(jí)導(dǎo)致兩個(gè)不同但互補(bǔ)的工作范圍。兩個(gè)輸入級(jí)的失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)整，并在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出。

當(dāng)輸入的共模電壓接近+V時(shí)S，第二級(jí)被激活，然后運(yùn)算放大器處于過(guò)頂模式。這可能是各種應(yīng)用中的過(guò)壓情況。例如，對(duì)于高端電流測(cè)量，由于寄生效應(yīng)或負(fù)載相關(guān)效應(yīng)，電壓可能會(huì)超過(guò)系統(tǒng)電源電位，即使是暫時(shí)的。典型放大器允許信號(hào)電壓高達(dá)電源電壓范圍。如果輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此范圍，內(nèi)部二極管通常會(huì)導(dǎo)通，并且有大量電流流過(guò)它們。根據(jù)信號(hào)電壓和電流，這些尖峰可能會(huì)中斷放大器的運(yùn)行，甚至在最壞的情況下會(huì)導(dǎo)致集成電路失效。

與遇到此類問(wèn)題的典型運(yùn)算放大器不同，具有OTT的放大器可以承受高達(dá)80 V的差分輸入電壓。在這種狀態(tài)下，輸出電平飽和至正電源（+VS).在此狀態(tài)下，輸出保持其吸收或提供數(shù)據(jù)手冊(cè)限值內(nèi)的電流的能力。一旦輸入恢復(fù)到正常工作范圍（–VS至 +VS），輸出電平也將恢復(fù)到通常的線性范圍，而不會(huì)損壞或降低直流精度。對(duì)于高達(dá)70 V的共模電壓，情況類似。

采用OTT技術(shù)的放大器的應(yīng)用示例和技巧

一些電流測(cè)量示例可在圖2中找到。ADA4098-1是低功耗版本，而ADA4099-1具有更高的帶寬和更高的電壓上升速率。

圖2.使用ADA4098-1的電流測(cè)量示例

在低端測(cè)量中，增益來(lái)自電阻R2和R3。二極管 D1 提高了低負(fù)載電流下的單電源精度。

在高端電流測(cè)量中，1 kΩ和100 Ω（頂部）電阻對(duì)增益起決定性作用。放大器輸入端的電阻提供濾波等功能。在這種情況下，1%的電阻是最佳的?？赡艿妮斎肫秒娏鲿?huì)導(dǎo)致通過(guò)這些電阻的壓降，而諸如1%的緊密容差將有助于最小化此處的壓降范圍。

ADA4098-1的輸出在兩個(gè)電源電壓的45 mV范圍內(nèi)，在軌與軌之間空載擺幅。輸出可提供24 mA電流和35 mA灌電流。該放大器具有內(nèi)部補(bǔ)償功能，可驅(qū)動(dòng) 200 pF（最小值）的負(fù)載電容?？梢栽谳敵龊透呷菪载?fù)載之間插入一個(gè) 50 Ω 串聯(lián)電阻，以擴(kuò)展放大器的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

如果輸出 V外驅(qū)動(dòng)具有較低電位的電路，并且該下游電路具有用于其自身電壓軌的保護(hù)二極管，因此將電阻放置在V處是有意義的外.這將限制流向下游電路的可能電流。

ADA4098-1具有專用SHDN引腳，當(dāng)該引腳置位為高電平時(shí)，可將放大器置于極低關(guān)斷狀態(tài)。邏輯高電平由施加到SHDN引腳的≥1.5 V電壓（相對(duì)于–V）定義S針。五世外引腳則處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。作為一種替代方法，可以通過(guò)移除正電源有效地將放大器置于低功耗狀態(tài)。在這兩種關(guān)斷模式下，OTT 仍處于活動(dòng)狀態(tài)，電壓高達(dá) 70 V 至 –VS可應(yīng)用于輸入引腳。

除電流或功率測(cè)量外，OTT放大器的其他用途是傳感器前端或4 mA至20 mA電流環(huán)路。詳細(xì)信息、更多應(yīng)用示例和計(jì)算可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

結(jié)論

本文演示了過(guò)頂放大器如何提供過(guò)壓保護(hù)。由于智能和精確的內(nèi)部電路，Over-The-Top放大器同時(shí)提供穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。

ADI公司的第五代OTT放大器為您的電路設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)室中最新的過(guò)壓保護(hù)。OTT運(yùn)算放大器（如ADA4098-1和ADA4099-1）可提供超出供電軌的更高電壓容差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的失調(diào)誤差和噪聲值。

審核編輯：郭婷