在向外部世界提供灵敏放大器输入端时,设计人员想知道某人连接了什么,或者如何处理。人们是小心地操作,还是可能会粗心地将其插入AC电源呢?我们所有人都想让我们的设备变得健壮,能够承受大多数粗暴的操作。如何实现电过应力(EOS)保护呢?
OPA320是大多数运算放大器的代表;绝对最大额定值描述了最大电源电压和最大输入端电压及电流,如图1所示。备注说明表示,如果你限定输入电流,则你无需限定输入电压。内部钳位二极管安全范围为±10mA。但是,利用高电压过负载限制电流会要求高串联输入电阻,从而增加噪声,降低带宽,并可能会产生其它错误。
输入电压超过轨0.6V左右,该钳位二极管开始导电。许多器件通常都可以承受更高的电流,但是正向电压会急剧增加,从而增加损坏的机率。
你可以大幅提高容差至更高的故障电流,并通过添加外部二极管来提高保护程度。如无处不在的1N4148等常见信号二极管,通常拥有比内部钳位二极管低得多的正向电压。在实验台试验中,我发现我们储藏箱里的各种1N4148的正向电压,都比我们放大器上的内部钳位至少低100mV。与内部钳位二极管并联以后,故障电流的大部分都会在外部二极管内流动。
肖特基二极管甚至拥有更低的正向电压,可能会提供更强的保护。缺点是,它们往往漏电较多。反向漏电流规格通常为一微安或者以上,但条件是在室温下。漏电流随温度而增加。
注意,你需要一个固定电源电压。不管是内部还是外部,钳位二极管都依靠相对稳定的电源电压来控制应力。如果攻击性故障脉冲可将足够的电流倾卸到电源轨中,从而升高(或者V-时降低)电源电压,则其会使电源电压端过应力,如图2所示。一般正线性调节器无法灌入电流,也无法依靠它来保持稳定的电压。更大的电源旁路电容器可帮助吸收故障电流的大脉冲。承受故障电流可能要求在电源上使用一个齐纳钳位二极管。刚刚超出最大电源电压时便使用齐纳二极管,让它仅在故障期间导电。注意,使用正负电源时,负端都需要有等效保护。
这些措施仍然可能会使电压超出最大额定值,但重要的是:绝对最大额定值一般都很安全;这些电压或者电流下出现损坏的可能性极低。在这些额定值以上通常都还有非常大的余量,在余量范围内出现损坏的可能性也很小(但不能保证)。控制在超出这些额定值数伏的范围容易得多,你仍然可以实现较高的安全性。在许多情况下,我们的目的是在没有高成本或者牺牲性能的情况下大大提高安全性。
我们无法给你一个通用的解决方案,也无法保证某个特殊的保护方案可以满足你的各种需求。应用的详细情况会有诸多差异。放大器的灵敏度不同,需要的保护程度也会明显不同。它可能要求我们具有创造性的思维方式,而你自己就是最优秀的专家。如果有需要,可在某些耐受测试中牺牲一些放大器。同以前一样,我们欢迎你在我们的E2E论坛上提出建议。
当然,你肯定会有一些有价值的技巧同我们分享。请在下面写出你的建议,帮助我们所有人。另外,请查看下面相关链接。
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我们仪表放大器中的许多都有内部保护功能,即使没有电源电压范围仍可达±40V。举例,请查看INA826。
TI提供非常健壮的保护器件,主要用于计算机和消费类设备数字接口的ESD保护。
举例:TPD1E10B06 保护器件选择器
这些均为快速作用钳位,其连接接地,用于开启指定电压,例如:一个齐纳二极管。就精确模拟输入而言,问题是相对较高的漏电流(100nA范围)。同样,它们可能在一些应用中非常有效。
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