如何利用Over-The-Top放大器防止類比前端過壓

作者:ADI 資深現場應用工程師 Hakan Uenlue


簡介

在工業應用中,可能出現的高壓情況一直是個令人擔心的問題。尋找防護之道將持續是開發人員的一項重要任務。本文所述的設計技巧便說明開發人員可利用Over-The-Top® (OTT)放大器來實現這一個目標。

即使是工業應用,有時也會遇到高於系統電源的電壓。其電位儘管不如汽車電子等應用那麼高,但常常高於通常的系統電壓。對於許多運算放大器來說,某些系統電壓甚至可能過高。這為類比前端(AFE)帶來了巨大挑戰。例如,較高的電壓會使典型放大器的內部輸入二極體導通。這種狀態存在的時間越長,發生故障甚至失效的可能性就越大。開發人員可以採取相應的預防措施,例如,使用額外的二極體或電阻的外部保護電路。然而,這些額外的元件會佔用電路板上的空間,並且存在漏電流、增加輸入電容和雜訊等缺點。因此,採用Over-The-Top技術的整合IC解決方案是非常好的選擇。

Over-The-Top的工作原理

為了簡化說明,可以看看最新一代 ADA4098-1 或 ADA4099-1 的內部結構。這些OTT運算放大器各有兩個輸入級。第一級是共發射極差分放大級,由PNP電晶體組成,適用於負電源(–VS)至比正電源(+VS)低約1.25 V的輸入訊號。第二級是由更多PNP電晶體組成共基極輸入級,適用於輸入訊號的共模電壓從+VS – 1.25 V開始或更高。內部電路的示例如圖1所示。第一級使用電晶體Q1和Q2來設計,而第二級使用電晶體Q3至Q6來設計。

A simplified representation of the internal structure

圖1. 內部結構的簡化表示(取自最新一代的ADA4098-1)。

因此,這些輸入級提供兩個不同但互補的工作範圍。兩個輸入級的失調電壓經過嚴格調整,並已在資料手冊中提供。

當輸入的共模電壓接近+VS時,第二級被啟動,運算放大器隨即處於Over-The-Top模式。這可能是各種應用中的過壓情況。例如,對於高端電流測量,由於寄生效應或負載相關效應,輸入電壓可能暫態會超過系統電源電位。典型放大器允許輸入訊號的電壓最高達到電源電壓軌。如果輸入遠超過此範圍,內部二極體通常會導通,大量電流會流過其中。根據訊號電壓和電流,這些尖峰可能會瞬間中斷放大器的運行,在最壞的情況下甚至會導致積體電路失效。

與典型運算放大器不同,當發生此類問題時,OTT放大器可以承受高達80 V的差動輸入電壓。在這種狀態下,輸出位準飽和至正電源電壓(+VS)。輸出在此狀態下仍有能力灌入或輸出資料手冊內標稱的極限電流。一旦輸入回到正常工作範圍(–VS至+VS),輸出位準也會回到正常的線性範圍,而不會損害或降低直流精度。對於高達70 V的共模電壓,情況類似。

採用OTT技術的放大器的應用示例和技巧

圖2提供了一些電流測量示例。ADA4098-1是低功耗版本,而ADA4099-1具有更高的頻寬和更高的電壓上升速率。

 Current measurement examples with the ADA4098-1

圖2. 採用ADA4098-1的電流測量示例。

在低邊測量中,增益來自電阻R2和R3。二極體D1可改善低負載電流下的單電源系統的測量精度。

在高邊電流測量中,1 kΩ Vout端接地的電阻和100 Ω(頂部連接)運放同相端的電阻對增益起決定作用(0.1Ω與100Ω分流比例決定增益,1k電阻則將電流轉換為電壓)。放大器輸入端的電阻提供濾波等功能。在這種情況下,1%精度電阻將是比較好的選擇。運放的輸入偏置電流可能會影響通過這些電阻的壓降,而1%之類的小容差將有助於大幅減小此處的壓降範圍。

ADA4098-1的輸出在空載情況下具有軌到軌擺幅(兩個電源軌分別減去45 mV的範圍內)。輸出可以提供24 mA的源電流和35 mA的阱電流。該放大器具有內部補償機制,可以驅動200 pF(最小值)的負載電容。在輸出端和較高容性負載之間可以插入一個50 Ω串聯電阻,以擴展放大器的容性負載驅動能力。

如果輸出VOUT驅動一個電位較低的電路,並且該負載電路擁有自身電壓軌的保護二極體,則在VOUT處放置一個電阻是有意義的。這將限制可能流向負載電路的電流。

ADA4098-1有一個專用的SHDN接腳,當該接腳置為高位準時,放大器將被置於功耗非常低的關斷狀態。邏輯高位準定義為參考–VS電位,施加到SHDN接腳的電壓≥1.5 V加–VS。VOUT接腳隨後處於高阻態。有一種替代方法,透過移除正電源可以將放大器置於低功耗狀態。在這兩種關斷模式下,OTT仍處於活動狀態,可以將比–VS最高超過70 V的電壓施加到輸入接腳。

O除了電流或功率測量之外,OTT放大器的其他用途有用於感測器前端或4 mA至20 mA電流環。詳細資訊、更多應用示例和計算可在資料手冊中找到。

結論

本文說明了Over-The-Top放大器如何提供過壓保護。憑藉智慧精密的內部電路,Over-The-Top放大器將可同時提供穩固性和準確性。

ADI的第五代OTT放大器讓最新過壓保護技術從實驗室走向實際的電路設計。ADA4098-1和ADA4099-1等OTT運算放大器不僅能承受遠高於電源軌的電壓,而且實現了更低的失調誤差和雜訊值。