如何預防模擬前端過壓？這里有一個好辦法

在工業(yè)應(yīng)用中，可能出現(xiàn)高壓的情況一直是個令人擔心的問題。尋找防護之道一直并將繼續(xù)是開發(fā)人員的一項重要任務(wù)。本文所述的設(shè)計技巧說明，開發(fā)人員可以利用Over-The-Top (OTT)放大器來實現(xiàn)這一目標。

即使是工業(yè)應(yīng)用，有時也會遇到高于系統(tǒng)電源的電壓。其電位盡管不如汽車電子等應(yīng)用那么高，但常常高于通常的系統(tǒng)電壓。對于許多運算放大器來說，某些系統(tǒng)電壓甚至可能過高。這給模擬前端(AFE)帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如，較高的電壓會使典型放大器的內(nèi)部輸入二極管導通。這種狀態(tài)存在的時間越長，發(fā)生故障甚至失效的可能性就越大。開發(fā)人員可以采取相應(yīng)的預防措施，例如，使用額外的二極管或電阻的外部保護電路。然而，這些額外的元件會占用電路板上的空間，并且存在漏電流、增加輸入電容和噪聲等缺點。因此，采用Over-The-Top技術(shù)的集成IC解決方案是非常好的選擇。

為了簡化說明，可以看看最新一代 ADA4098-1 或 ADA4099-1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些OTT運算放大器各有兩個輸入級。第一級是共發(fā)射極差分放大級，由PNP晶體管組成，適用于負電源(–V_S)至比正電源(+V_S)低約1.25 V的輸入信號。第二級是由更多PNP晶體管組成共基極輸入級，適用于輸入信號的共模電壓從+V_S – 1.25 V開始或更高。內(nèi)部電路的示例如圖1所示。第一級使用晶體管Q1和Q2來設(shè)計，而第二級使用晶體管Q3至Q6來設(shè)計。

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

因此，這些輸入級提供兩個不同但互補的工作范圍。兩個輸入級的失調(diào)電壓經(jīng)過嚴格調(diào)整，并已在數(shù)據(jù)手冊中給出。

當輸入的共模電壓接近+V_S時，第二級被激活，運算放大器隨即處于Over-The-Top模式。這可能是各種應(yīng)用中的過壓情況。例如，對于高端電流測量，由于寄生效應(yīng)或負載相關(guān)效應(yīng)，輸入電壓可能瞬時會超過系統(tǒng)電源電位。典型放大器允許輸入信號的電壓最高達到電源電壓軌。如果輸入遠超過此范圍，內(nèi)部二極管通常會導通，大量電流會流過其中。根據(jù)信號電壓和電流，這些尖峰可能會瞬間中斷放大器的運行，在最壞的情況下甚至會導致集成電路失效。

與典型運算放大器不同，當發(fā)生此類問題時，OTT放大器可以承受高達80 V的差動輸入電壓。在這種狀態(tài)下，輸出電平飽和至正電源電壓(+V_S)。輸出在此狀態(tài)下仍有能力灌入或輸出數(shù)據(jù)手冊內(nèi)標稱的極限電流。一旦輸入回到正常工作范圍（–V_S至+V_S），輸出電平也會回到正常的線性范圍，而不會損害或降低直流精度。對于高達70 V的共模電壓，情況類似。

圖2提供了一些電流測量示例。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. 采用ADA4098-1的電流測量示例。

在低邊測量中，增益來自電阻R2和R3。二極管D1可改善低負載電流下的單電源系統(tǒng)的測量精度。

在高邊電流測量中，1 kΩ Vout端接地的電阻和100 Ω（頂部連接）運放同相端的電阻對增益起決定作用（0.1Ω與100Ω分流比例決定增益，1k電阻則將電流轉(zhuǎn)換為電壓）。放大器輸入端的電阻提供濾波等功能。在這種情況下，1%精度電阻將是比較好的選擇。運放的輸入偏置電流可能會影響通過這些電阻的壓降，而1%之類的小容差將有助于最大程度地減小此處的壓降范圍。

ADA4098-1的輸出在空載情況下具有軌到軌擺幅（兩個電源軌分別減去45 mV的范圍內(nèi)）。輸出可以提供24 mA的源電流和35 mA的阱電流。該放大器具有內(nèi)部補償機制，可以驅(qū)動200 pF（最小值）的負載電容。在輸出端和較高容性負載之間可以插入一個50 Ω串聯(lián)電阻，以擴展放大器的容性負載驅(qū)動能力。

如果輸出V_OUT驅(qū)動一個電位較低的電路，并且該負載電路擁有自身電壓軌的保護二極管，則在V_OUT處放置一個電阻是有意義的。這將限制可能流向負載電路的電流。

ADA4098-1有一個專用的SHDN引腳，當該引腳置為高電平時，放大器將被置于功耗非常低的關(guān)斷狀態(tài)。邏輯高電平定義為參考–V_S電位，施加到SHDN引腳的電壓≥1.5 V加–V_S。V_OUT引腳隨后處于高阻態(tài)。有一種替代方法，通過移除正電源可以將放大器置于低功耗狀態(tài)。在這兩種關(guān)斷模式下，OTT仍處于活動狀態(tài)，可以將比–V_S最高超過70 V的電壓施加到輸入引腳。

除了電流或功率測量之外，OTT放大器的其他用途有用于傳感器前端或4 mA至20 mA電流環(huán)。詳細信息、更多應(yīng)用示例和計算可在數(shù)據(jù)手冊中找到。

本文說明了Over-The-Top放大器如何提供過壓保護。憑借智能精密的內(nèi)部電路，Over-The-Top放大器同時提供魯棒性和準確性。

ADI的第五代OTT放大器讓最新過壓保護技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H的電路設(shè)計。ADA4098-1和ADA4099-1等OTT運算放大器不僅能承受遠高于電源軌的電壓，而且實現(xiàn)了更低的失調(diào)誤差和噪聲值。