灵敏放大器应用电路的过压保护

         对于既要求过压保护，又要求低失真、低噪声和高带宽的放大器应用，必须特别注意过压保护的设计。产生过压的原因可能是人为因素，例如把放大器的输入端与高压电源短路，也可能是应用的固有缺陷，例如变压器的输出电压通常要高于放大器的电源电压。

       大多数的放大器过压保护方法是利用二极管将过压故障电流旁路到地或者电源轨上，但这些二极管的电容和泄漏电流会导致失真和带宽降低。本文将解释反向偏置二极管的基础知识，讨论几种保护策略，并提供几种降低二极管泄漏电流和电容的解决方案。本文以运算放大器的应用为例，但其中很多方法对分立放大器也有用。

       反向偏置二极管的基本知识

       二极管电路的计算公式如下：

 

       也许你会认为反向偏置二极管吸收的反向电流IR等于IS，但事实上，反向电流远远大于IS，而且随温度和反向偏置电压变化而变化。IR正比于PN结中空间电荷层的厚度，因为电荷层的厚度与施加的反向电压有关，因此IR可由公式2表示：

 

       对不同厂商的产品而言，n大约从2到4之间变化，通常可从二极管的说明书中得到IR与VR的关系曲线。一个被广泛认可的规律是温度每增加10°C，PN结的反向电流加倍。根据这条规律和一个参考点，我们可以建立如公式3的反向电流和温度关系等式：

 

       I0是温度等于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。低于内置电势(硅的内置电势大约为0.7V)时的二极管电容由公式4表示：

 

       Cj0是施加电压等于0V时的PN结电容，Φ0是内置电势，M是等级系数。公式4假设对于反向偏置电压，VR是负值，对于正向偏置电压，VR是正电压。这个等式对反向偏置电容和正向偏置电容而言都是很好的模型。通常可以从二极管的说明书中得到CR与VR的关系曲线。

       基本的二极管过压保护

       通常IC都具有内部静电释放保护(ESD)结构。最流行的内部保护电路是将ESD箝位二极管连接到电源，从而将ESD尖峰电流旁路到电源。你可能会认为用这些二极管进行过压保护足够了，如果电流通过串联电阻来限制。但是，每一个IC都是不一样的，它们的ESD保护结构也不同。因此，最好增加箝位二极管，并将它们连接到电源以减少或消除流入IC的过压电流(图1)。

 

图1：基本的二极管过压保护电路图。

       图1电路将放大器的输入电压箝位到VCC+VFBD和VEE-VFBD，VFBD是二极管的正向电压。过压电流由RLIMIT来限制，RLIMIT上的电流为：

 

       其中，VSUPPLY是VEE或者VCC。这种保护方法也适用于反相运算放大器结构，此时RLIMIT用作增益设置电阻。

       普通硅二极管的正向电压与内部ESD二极管很接近，这意味着内部和外部二极管共同分担过压电流。由于不知道这两种二极管的正向电压是否匹配，所以我们可以假设所有的过压电流都流过内部ESD二极管。一般要求选择合适的RLIMIT，以保证IC输入端的电流不超过5mA。

       肖特基二极管具有更低的正向电压(0.3V)，经常被用来旁路故障电流。但是，肖特基二极管的最小泄漏电流要比硅二极管的最小泄漏电流大好几个数量级。对于输入电流为纳安级或者更低的应用，肖特基二极管的泄漏电流不能被忽略。另外，肖特基二极管的正向电压很容易随温度升高和正向偏置电流增大而增加到0.7V。在室温下，常用的1N5711肖特极二极管在15mA偏置电流下的正向电压为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发生变化，这些都会引入偏移误差和非线性。一个好的办法是保持最大反向泄漏电流比放大器的输入偏置电流小10倍。

 

图2：齐纳保护二极管接地电路图。

       保护二极管的反向偏置电容CR也是需要考虑的重要设计参数。每个二极管都有这个电容。CR与RLIMIT构成了一个低通滤波器，其截止频率为：

 

       由于CR是电压的函数，所以输入电压摆幅很大会引起明显的非线性。

       保护电路的过压恢复时间是另一个重要的设计指标。当二极管是正向偏置时，电荷储存在PN结的耗尽区。为关断二极管，必须把电荷从耗尽区清除掉。高速开关二极管厂商通常会给出反向恢复时间trr，但低泄漏二极管厂商通常不提供这个参数。

       很多IC公司的二极管阵列具有很好的反向泄漏电流和电容参数。例如MAX3202E ESD保护二极管阵列的最大泄漏电流电流为1nA，每个通道的电容仅有5pF。如果要求更低的反向泄漏电流，2N3904系列二极管是不错的选择。Vishay公司PAD1二极管的反向泄漏电流和电容甚至更低(最大值分别为1pA和0.8pF)。

       保护二极管接地

       旁路过压电流到电源意味着电源必须吸收电流，但很多电源不能吸收电流。如果电源的总负载比故障电流大很多，或者电源具有过压保护，这种方法也是可以接受的。如果电路无法吸收电流，电源电压将会上升，从而损坏连接到电源的器件。

 

图3：改善后的齐纳保护二极管接地电路图。

       齐纳二极管可被用作过压保护器，通过限流电阻将故障电流旁路到地(图3)。请注意，当齐纳电压低于电源电压时齐纳二极管保护才起作用。RLIMIT上电流由公式7确定：

 

       其中，VFBZ是齐纳二极管的正向压降，VRBZ是齐纳二极管的反向压降，两者都与温度和偏置电流有关系，但它们的和必须小于电源电压，放大器内部的ESD二极管才不会导通。通常情况下，齐纳二极管的反向泄漏电流大于普通硅二极管的反向泄漏电流。如果输入信号摆幅很大，将引入非线性。齐纳二极管的电容也将随电压而变化，而且一般要比普通硅二极管的电容大。

       并联齐纳二极管并增加串联的硅二极管可以改善带宽和泄漏电流等特性(图4)，RLIMIT上流过的电流为：

 

       结果是，总电容下降到2倍的CR，泄漏电流也降到大约等于硅二极管的泄漏电流。请注意，这种保护结构同样也适用于反相放大器。

       差分二极管保护

       保持泄漏电流和电容恒定的最好方法是使保护二极管的电压总是等于0V。在正常的放大器工作状态下，差分二极管保护方法使保护二极管上的电压保持0V偏置(图4)，而在发生过压期间，二极管将故障电流旁路到地。

 

图4：差分二极管保护电路图，(a)反相放大器；(b)非反相放大器。

 图4：差分二极管保护电路图，(a)反相放大器；(b)非反相放大器。

       对于反相结构的运算放大器，RLIMIT上的过压电流为：

 

       对于同相结构的运算放大器，RLIMIT上的过压电流为：

 

       信号保护IC

       信号保护IC提供过压检测电路以及MOSFET开关(图5)。当输入信号在电源电压范围内时，信号保护器用作一个串联电阻；当出现过压时，信号保护器开路。

 

       图5：信号保护IC的应用电路图，其中信号保护IC提供过压检测电路以及MOSFET开关。

       使用信号保护器的好处包括：1. 信号保护器的泄漏电流很小，适用于很多应用(MAX4505在25℃时的最大泄漏电流仅±500pA)；2. 输入电压与泄漏电流、内部寄生电容没有很大关系；3. 当没有电源时，信号保护器能处理±40V输入电压而不会导致任何损坏，输出电压为0V。

       不幸的是，对某些应用来说，信号保护器的恢复时间太慢。此外，如果成本要求较低时，采用分立器件可能更好些。

       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，并且电阻也会产生热噪声square 4kTBR，其中，k是波尔兹曼系数、T为温度(单位为卡尔文)、B为带宽、R为电阻。运算放大器电路的所有噪声均由公式11给出。

 

       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RF//RI。Vp和Vn是运算放大器正极输入端和负极输入端的电压噪声。Ip和In是运算放大器正极输入端和负极输入端的电流噪声。

 
 

本文来源：美信公司    作者：Erik Anderson

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