应用笔记 4035

高灵敏度运算放大器应用中的过压保护(OVP)

By: Eric Schlaepfer

摘要 : 本文介绍了反偏二极管的基本原理,讨论了几种保护方案,并提供了用于降低寄生漏电流和寄生电容的方法。

概述

对于要求过压保护和低失真,低噪声,高带宽的放大器应用,必须特别注意过压保护(OVP)的设计。导致过压可能是人为的错误,例如把放大器的输入端对高压电源短路,也可能是应用中固有的错误,例如变送器通常输出的电压要高于放大器的电源电压。

很多放大器过压保护的方法是使用二极管旁路过压电流对地或者对电源。这些二极管的电容和泄漏电流会导致失真和带宽降低。本文会回顾反向偏置二极管的基础知识,讨论几种保护策略,提供几种方案降低泄漏电流和电容。运算放大器用来说明保护方法,还有很多方法对分离放大器很适用。

反向偏置二极管基础

二极管公式如式1所示,有人可能认为反向偏置二极管吸收反向电流IR等于IS

式1

然而,事实是反向电流远远高于IS,而且随着温度和反向偏置电压而变化。IR正比于PN结中电荷层的间隔,因为电荷层的间隔与所加的反向电压有关,因此IR可以由式2表示:

式2

对于不同的制造商,n的变化可以从2到4,通常可以从二极管的说明书中得到IR与VR的关系曲线。

一条被广泛接受的规律是温度增加10°C时PN结的反向电流加倍。从这条规律和一个参考点,我们可以建立式3说明反向电流和温度的关系:

式3

I0是温度T0时的反向电流。通常可以从二极管的说明书中得到IR与T的关系曲线。

低于内建电位(硅管大约为0.7V)时二极管的电容由式4表达:

式4

Cj0是0V时PN结的电容,Φ0是嵌入电压,M是等级系数,它是P材料和N材料的比值。公式4中对于反向偏置电压VR是负电压,对于正向偏置电压VR 是正电压。该公式对于反向偏置电容是一个很好的模型,对于达到嵌入电压的一半的正向偏置电容也是一个很好的模型。通常可以从二极管的说明书中得到CR与VR的关系曲线。

基本的二极管保护

很多IC 都有内部的静态放电(ESD)保护。很多内部ESD保护电路的嵌位二极管连接到电源,所以它旁路ESD尖峰到电源。如果电流通过串联电阻限制,可以说这些二极管足够处理过压保护了;但是,每一个IC具有不同的情况,ESD保护结构也不同。

最好从外部在电源端加钳位二极管,以减少或消除流入IC的过压电流(图1)。

图1. 基本的二极管保护电路,利用电源端的外部钳位二极管旁路电源的ESD冲击。
图1. 基本的二极管保护电路,利用电源端的外部钳位二极管旁路电源的ESD冲击。

图1中的二极管保护方法是将放大器的输入电压钳位到VCC + VFBD和VEE - VFBD,VFBD是二极管的正向电压。过压电流由RLIMIT限制,如式5所示:

式5

其中VSUPPLY是VEE或者VCC。 这种保护方法也适用反相运算放大器结构, RLIMIT也是增益设置电阻。

普通硅二极管的正向电压与内部ESD二极管的很接近,也就是说出现过压时,内部和外部二极管共同分担过压电流。因为我们不知道两种二极管的正向电压是否匹配,我们可以假设所有的过压电流都通过了内部的ESD二极管。业界广泛接受的方式是设定RLIMIT使电流不超过5mA 。

肖特基二极管具有更低的正向电压(0.3V),经常用这种保护结构来旁路故障电流。但是,最低泄漏电流的肖特基二极管的泄漏电流要比最低泄漏电流的硅二极管大几个量级。对于输入电流为纳安或者更低的应用,肖特基二极管的泄漏电流不能容忍。另外,肖特基二极管的正向电压很容易随着温度和正向偏置电流增加到0.7V,很通用的1N5711肖特极二极管的正向电压在室温和15mA偏置电流时为1V。

当放大器的输入偏置电流很小时,保护二极管的反向偏置漏电流就变得很重要。理论上,所有保护二极管的泄漏电流是相等的,而且不会引入偏差。但是,实际应用中的二极管很难达到完全匹配,而且泄漏电流会随着输入电压和温度而变化,这些都会引入偏移误差和非线性。经验证明,最大反向泄漏电流要比放大器的输入偏置电流小10倍。

保护二极管的反向偏置电容,CR,也是需要考虑的很重要的设计标准。每个二极管都会有这个电容,与RLIMIT相结合,会形成低通滤波器,其截止频率可通过式6计算:

式6

因为CR是电压的函数,所以输入电压摆幅较大时会引起明显的非线性。

保护电路的恢复时间也许是另一个重要的设计标准。当二极管是正向偏置时,电荷储存在PN结的损耗区。为了关断二极管,必须把电荷从损耗区清除。高速开关二极管制造商通常会给出反向恢复时间trr,但是低泄漏二极管制造商通常不会给出这个指标。如果没有给出,我们可以测量得到这个指标。

很多IC公司提供封装的二极管阵列,这些IC具有很好的反向泄漏电流和电容指标。例如MAX3202E ESD保护二极管阵列仅有1nA (最大值)的漏电流,每个通道仅有5pF的电容。如果需要更低的反向泄漏电流,可连接2N3904系列的二极管。Vishay提供的PAD1二极管具有更低的反向泄漏电流和电容:1pA (最大值)和0.8pF (最大值)。

二极管对地保护

旁路过压电流意味着电源必须吸收电流。很多电源不能吸收电流,如果电源总的负载比故障电流大很多或者电源具有过压保护,也是可以接受的。否则,电源电压将会上升,从而引起器件损坏。

图2. 该OVP电路利用齐纳二极管将过压电流旁路到地
图2. 该OVP电路利用齐纳二极管将过压电流旁路到地

齐纳二极管作为过压保护器利用限流电阻将故障电流旁路到地(图2)。注意,当齐纳电压低于电源电压时保护才会起作用。

过压电流受RLIMIT限制,由式7确定:

式7

VFBZ是齐纳二极管的正向压降,VRBZ是齐纳二极管的反向压降,它们都与温度和偏置电流有关。它们的和必须小于电源电压,这样放大器内部的ESD二极管才不会导通。

通常齐纳二极管的反向漏电流要大于硅二极管,反向电流会随着电压接近击穿电压而迅速增大,有时我们把I-V曲线看作“膝形”曲线。如果输入信号摆幅很大,就会引入非线性。齐纳二极管的电容也随着电压而变化,而且要比硅二极管大。

可以并联齐纳二极管以及串联硅二极管来改善带宽和漏电流等特性(图3),过压电流受RLIMIT限制,由式8确定:

式8

图3. 改善带宽和漏电流特性的齐纳二极管保护电路,并联齐纳二极管,并增添了串联硅二极管
图3. 改善带宽和漏电流特性的齐纳二极管保护电路,并联齐纳二极管,并增添了串联硅二极管

这样,输入信号源的总电容降为2 × CR。漏电流也降为硅二极管的水平。注意,这一保护结构也适合反相放大器。

差分二极管保护

保持漏电流和电容恒定的最好方法是保持保护二极管的电压为0V。差分二极管保护电路在放大器的正常工作模式下保持0V的偏置(图4)。出现过压时,二极管将故障电流旁路到地。

图4. 为确保固定的漏电流和电容,图中的两个电路利用差分二极管结构保证在正常工作模式下保护二极管两端的电压为0V
图4. 为确保固定的漏电流和电容,图中的两个电路利用差分二极管结构保证在正常工作模式下保护二极管两端的电压为0V

对于反相结构的运算放大器,过压电流受RLIMIT限制,由式9确定:

式9

对于同相结构的运算放大器,过压电流受RLIMIT限制,由式10确定:

式10

信号保护集成电路

信号保护IC提供过压检测电路以及MOSFET开关(图5)。

图5. 信号保护器,如MAX4505,由过压检测电路和MOSFET开关组成,出现故障时,输入端开路
图5. 信号保护器,如MAX4505,由过压检测电路和MOSFET开关组成,出现故障时,输入端开路

当输入信号在电源电压范围内,信号保护器 如同一个串联电阻,出现过压时,信号保护器 如同开路。

使用信号保护器有几个好处。第一,漏电流很小,能够满足多数应用的要求,例如:MAX4505在25°C时最大漏电流为±500pA;第二,输入电压和内部无源器件的寄生漏电流和电容没有很强的依赖关系;第三,没有电源时,信号保护器 能够承受±40V的输入电压,输出为0V,而且不会产生任何损坏。

不幸的是对某些应用来说其恢复时间太慢,另外,对成本要求苛刻时,应该使用分立器件。

噪声考虑

放大器的偏置电流包含噪声,当电流噪声流过电阻时会产生电压噪声。另外,电阻也会产生热噪声,其中,k是波尔兹曼系数, T是Kelvin温度,B是带宽, R是电阻。运算放大器电路的所有噪声由式11给出:

式11

Rp和Rn是运算放大器正极输入端和负极输入端的电阻,Rn通常等于并联后的增益设置电阻(RF//RI)。 Vp和Vn是运算放大器同相输入端和反相输入端的电压噪声,Ip和In是运算放大器同相输入端和反相输入端的电流噪声。式11给出了RLIMIT通过Rp或Rn对系统噪声的影响(与配置有关)。如果使用齐纳管进行保护,请确认将齐纳管的噪声添加到方程中。

类似文章分成两个部分于2006年12月7日发表在Planet Analog网站。

参考资料
Frederiksen, Thomas, M. Intuitive IC Op Amps. Santa Clara, CA: National Semiconductor Corp., 1984.
Garcia, Adolfo, and Wes Freeman. "Section 7: Overvoltage Effects on Analog Integrated Circuits." Practical Analog Design Techniques. In Seminars & Webcasts—ADADC80 [database online]. Norwood, MA: Analog Devices, Inc. [cited 1 May 2007].
Gray, Paul R., Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, and Robert G. Meyer. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. New York, NY: John Wiley & Sons, Inc., 2001.
Jung, Walt, ed. Op-Amp Applications Handbook. Burlington, MA: Newnes, 2005.
Ott, Henry W. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. New York, NY: John Wiley & Sons, Inc., 1988.

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