Защита входов от перенапряжений

15 августа

универсальное применениеTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

Рис. 68. Схема ОУ с внутренними защитными диодами

Рис. 68. Схема ОУ с внутренними защитными диодами

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Помните, что вам нужно стабильное напряжение питания. Защитные диоды, – как внутренние, так и внешние, – требуют относительно устойчивого напряжения питания для ограничения выбросов. Если мощности воздействующего импульса хватает для того чтобы обеспечить протекание значительного тока, то это вызовет просадку напряжения на выводе питания V+ или скачок напряжения на выводе V-. В результате это может перегрузить вход питания (рисунок 69). Обычный линейный регулятор не сможет обеспечить втекание тока и поддерживать постоянное напряжение питания. Развязывающие конденсаторы большой емкости, подключенные к выводам питания, могут помочь поглотить большой импульс тока помехи. Для фильтрации длительных помех может потребоваться защитный стабилитрон, также подключенный к линиям питания. Напряжение срабатывания для стабилитрона должно незначительно превышать значение максимального напряжения питания, чтобы он включался только при возникновении помех. Стоит отметить, что при использовании биполярного питания (±) также необходимо предусмотреть аналогичную защиту по цепи отрицательного питания.

Рис. 69. Для ограничения бросков на выводах питания, возникающих за счет тока, протекающего через защитные диоды, необходим стабилитрон

Рис. 69. Для ограничения бросков на выводах питания, возникающих за счет тока, протекающего через защитные диоды, необходим стабилитрон

Несмотря на принятые меры, мощная помеха по-прежнему может вызвать броски напряжений, которые превысят максимально допустимые значения. Однако смысл состоит в том, что максимально допустимые значения из документации обычно являются очень безопасными и при их достижении разрушение микросхемы маловероятно. Кроме того, существует некоторый запас прочности и выше максимальных значений, однако безопасность в таких случаях уже не гарантируется. Совсем несложно обеспечить ограничение напряжения на пару вольт выше допустимых значений и тем самым добиться весьма высокого уровня выживаемости. Во многих случаях цель заключается в том, чтобы значительно повысить уровень выживаемости без больших затрат и ухудшения параметров схемы.

Невозможно рекомендовать универсальное решение или гарантировать, что конкретная схема защиты будет отвечать всем требованиям, поскольку требования у приложений сильно различаются. Усилители отличаются по уровню встроенной защиты, и необходимый уровень внешней защиты также может быть различным. Если это необходимо, то пожертвуйте некоторым количеством усилителей, и подвергните их жесткому тестированию.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

    1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
    2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
    3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
    4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
    5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
    6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
    7. Входной импеданс против входного тока смещения
    8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
    9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
    10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
    13. Приручаем нестабильный ОУ
    14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
    15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
    16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
    17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
    18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
    19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
    20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
    21. Время установления: взгляд на форму сигнала
    22. Шум резисторов: обзор основных понятий
    23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
    24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
    25. 1/f-шум: фликкер-шум
    26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
    27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
    28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA320AQDBVTQ1 (TI)
OPA320AIDBV (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
OPA211AIDGKT (TI)
OPA211AID (TI)
OPA211ID (TI)
OPA2111KP (TI)
OPA211 (TI)
OPA140AIDBVT (TI)
OPA140AIDGKR (TI)
OPA140ATDD2 (TI)
OPA140AID (TI)
OPA140AIDGKT (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIBBVT (TI)
OPA376AIDRG4 (TI)