可編程邏輯控制器中的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)是模擬輸入模塊，它提供了一個(gè)高精度前端來測量各種傳感器。但是，在許多情況下，放大器輸入級(jí)通過長電纜連接到遠(yuǎn)程傳感器，并且容易受到過壓條件的影響。在本文中，我將介紹運(yùn)算放大器（op-amp）輸入過壓保護(hù)的基本概念，并討論如何為過壓故障選擇正確的鉗位保護(hù)電路。
輸入模塊中使用的運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表應(yīng)提供有關(guān)電氣過應(yīng)力條件下絕對(duì)最大額定值的規(guī)范。電氣過應(yīng)力狀況分為兩類：靜電放電（ESD）和輸入電氣過應(yīng)力（EOS）。 ESD事件是兩個(gè)人體在不同靜電勢(shì)下突然轉(zhuǎn)移的靜電荷。靜電勢(shì)通常可以相隔數(shù)千伏，并且電荷轉(zhuǎn)移通常在幾分之一秒內(nèi)發(fā)生。相反，當(dāng)電路在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)暴露于過電壓條件（例如由意外連接引起的故障）時(shí)，就會(huì)發(fā)生EOS事件。這些EOS額定值表示設(shè)備可以承受而不會(huì)損壞的最大電源電壓，輸入電壓和輸入電流。
通常，運(yùn)算放大器具有內(nèi)部ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，旨在在制造和生產(chǎn)測試期間保護(hù)運(yùn)算放大器。 ESD保護(hù)中使用的三種常見結(jié)構(gòu)（如圖1所示）是串聯(lián)電阻器，轉(zhuǎn)向二極管和吸收器件。轉(zhuǎn)向二極管導(dǎo)通，將ESD脈沖從敏感電路元件引向吸收裝置。吸收裝置吸收ESD脈沖的能量并限制電壓電平以防止損壞。
圖1通常，運(yùn)算放大器內(nèi)部包含三個(gè)ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。
運(yùn)算放大器對(duì)EOS的最大額定值取決于內(nèi)部ESD二極管可以承受的最大電壓和連續(xù)電流。但是，這些結(jié)構(gòu)并不是為了保護(hù)設(shè)備免受電路故障期間可能發(fā)生的更長的EOS事件影響。取而代之的是，可能需要外部電路鉗位來保護(hù)運(yùn)算放大器輸入電路免受EOS事件的影響。肖特基二極管和串聯(lián)電阻是幫助保護(hù)運(yùn)算放大器輸入免受過壓故障的一種原因。
讓我們考慮一下圖2所示的±10V模擬輸入模塊電路。在該電路中，運(yùn)算放大器緩沖器提供了高輸入阻抗，可與各種傳感器接口。 THP210全差分放大器（FDA）對(duì)緩沖的信號(hào)進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 FDA是一款精密，低噪聲，低漂移的放大器，配置為轉(zhuǎn)折頻率為100 kHz的二階Butterworth低通濾波器。
圖2該高阻抗±10V模擬輸入模塊的前端使用肖特基二極管和其他元件來保護(hù)運(yùn)算放大器免受EOS事件的影響。
本示例中顯示了兩種類型的保護(hù)電路，其中的鉗位電路旨在為±40 V連續(xù)過壓故障提供輸入保護(hù)。瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管用于鉗位電源軌，吸收鉗位電路電流，以使電源保持在運(yùn)算放大器的±20V絕對(duì)電源額定值以下。 TVS二極管類似于齊納二極管，但設(shè)計(jì)用于快速，大的瞬態(tài)功耗。所示的SMF12A是單向TVS，具有12 V的反向隔離電壓，14.7 V的擊穿電壓和19.9 V的最大鉗位電壓。使用1.24-kΩ時(shí)，±40V故障期間的電流限制為20 mA。 ，1/2 W RLIMIT電阻，如圖3所示。
運(yùn)放輸入中使用的肖特基二極管具有金屬半導(dǎo)體結(jié)，其正向壓降低于硅結(jié)二極管（例如，運(yùn)放中用于ESD保護(hù)的二極管）。圖3詳細(xì)說明了外部保護(hù)鉗位電路的此屬性與那些內(nèi)部ESD二極管一起工作的方式。
在此示例中，BAS40是小信號(hào)肖特基二極管，在1 mA時(shí)的正向電壓接近380 mV。相比之下，內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)在相同的正向電流下具有約550 mV的正向電壓。因此，肖特基二極管在放大器的內(nèi)部ESD二極管之前導(dǎo)通，并且大多數(shù)涌入電流流過外部鉗位電路。內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)只能承受10 mA的電流，而外部肖特基二極管可以處理高達(dá)200 mA的正向連續(xù)電流，從而提供強(qiáng)大的保護(hù)。
圖3此常用的運(yùn)算放大器輸入保護(hù)肖特基二極管鉗位在內(nèi)部二極管之前導(dǎo)通，從而使大部分浪涌電流流過外部二極管。
盡管外部肖特基二極管鉗位電路提供了強(qiáng)大的過壓保護(hù)，但該鉗位電路的缺點(diǎn)是會(huì)引入信號(hào)誤差。在正常工作期間，反向偏置的肖特基二極管會(huì)顯示反向漏電流，該電流會(huì)流過RLIMIT電阻，從而產(chǎn)生不希望的偏移。本示例中使用的BAS40提供200 nA的極低泄漏電流，從而使失調(diào)誤差保持最小。您還可以選擇減小RLIMIT電阻以最小化這些失調(diào)誤差，但要權(quán)衡的是增加故障電流。故障電流的這種增加將需要一個(gè)額定功率更高的電阻。
但是，二極管泄漏電流可能會(huì)隨著反向電壓的變化而略有變化。因此，二極管之間反向漏電流的失配會(huì)引起小的非線性誤差，這是輸入電壓的函數(shù)。此外，二極管的泄漏電流隨溫度呈指數(shù)增長。例如，這種肖特基二極管的典型泄漏電流在25?C時(shí)約為?20nA。但是，泄漏電流在85?C時(shí)可以增加到2µA，而在100?C以上時(shí)可以增加到10µA。
幸運(yùn)的是，一些現(xiàn)代精密運(yùn)算放大器提供了集成的輸入過壓保護(hù)，從而消除了對(duì)此類外部鉗位電路的需求。圖4顯示了OPA2206的集成輸入保護(hù)。它的輸入受到保護(hù)，可承受超出任一電源的±40 V電壓，如果電源關(guān)閉則可承受±40 V的電壓。
圖4該集成的運(yùn)算放大器輸入保護(hù)鉗位會(huì)在輸入過載時(shí)改變阻抗，在EOS期間提供保護(hù)，同時(shí)將正常操作期間的影響降至最低。
OPA2206的內(nèi)部保護(hù)電路可在正常信號(hào)條件下提供低串聯(lián)阻抗，從而保持所需的運(yùn)算放大器精度。但是，如果輸入過載，則保護(hù)電路會(huì)增加串聯(lián)阻抗，并將輸入電流限制為大約±5 mA。因此，集成的輸入保護(hù)鉗位使您能夠通過可靠的保護(hù)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)降低成本并縮小解決方案尺寸。
過壓保護(hù)是一個(gè)廣泛的主題，顯示的方法只是保護(hù)運(yùn)算放大器輸入的許多不同方式中的一些。有關(guān)更多信息，請(qǐng)查看TI Precision Labs –電氣過應(yīng)力視頻系列。該系列詳細(xì)介紹了EOS運(yùn)算放大器保護(hù)以及如何為您的應(yīng)用設(shè)計(jì)合適的鉗位電路。
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