Меню

Схемы защиты высокого входного напряжения

Защита входов от перенапряжений

15 августа 2019

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.

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.

Читайте также:  Лампы накаливания рабочее напряжение

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.

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

Источник



ЗАЩИТА ОУ ОТ ПЕРЕГРУЗОК в устройствах на микросхемах

Обеспечение надежности работы радиоэлектронных схем является одной из важнейших задач практического использования компонентов радиоэлектронной аппаратуры. В отношении ОУ наиболее уязвимыми являются входные и выходные цепи, цепи питания.

Все эти цепи критичны к даже весьма непродолжительным перенапряжениям, которые могут возникать в результате грозовых и электростатических разрядов, переходных процессов, неисправностей по цепям питания и т. д. Вторым по значимости в плане вероятного повреждения ОУ представляются перегрузки по току или рассеиваемой мощности.

Защита входных цепей ОУ

При выборе схем защиты ОУ следует учитывать тот момент, что многие современные микросхемы уже имеют встроенную защиту, например, на случай короткого замыкания в нагрузке, от перегрева и т. п.

Конструкционные особенности исполнения и эксплуатации микросхем обычно указывают в технических паспортах и описаниях. В таких описаниях обязательно указывают предельно допустимые условия эксплуатации микросхем — по напряжению питания, потребляемому току, току нагрузки, предельному уровню входных напряжений и т. д. Современные микросхемы, учитывая опыт эксплуатации и статистику отказов, зачастую имеют встроенную систему защиты, например, от короткого замыкания в цепи нагрузки. Вместе с тем, многие подобные усовершенствования, повышая надежность устройств, могут заметно ухудшить их иные важнейшие эксплуатационные характеристики, особенно, быстродействие, работу в области повышенных частот.

Наиболее простой способ защиты входных цепей ОУ показан на рис. 5.1 и рис. 5.2. Он заключается в использовании диодного ограничителя, выполненного на основе встречно включенных высокочастотных диодов и резистора R1, который по совместительству входит в состав усилителя на ОУ и определяет его коэффициент передачи.

Напомню, что для кремниевых диодов ограничение наступает при величине напряжения, прикладываемого к диодам, превышающем 0,6—0,7В. При более низких напряжениях диоды можно практически исключить из эквивалентной схемы: их сопротивление утечки обычно намного превышает 1 МОм, а величина емкости не превышает долей — единиц пикофарад.

Читайте также:  Последовательная цепь синусоидального тока резонанс напряжений

Для германиевых диодов порог шунтирующего действия проявляется при напряжениях свыше 0,25—0,3 В. При меньших напряжениях сопротивление утечки примерно на порядок ниже, чем для кремниевых диодов; емкостные свойства примерно сопоставимы.

Если есть необходимость повысить уровень входного сигнала, поступающего на вход ОУ без ограничения, для защиты можно использовать

Рис. 5.1. Схема диодного ограничителя предельного уровня входного напряжения

последовательную цепочку из нескольких германиевых и/или кремниевых диодов. Их напряжения арифметически суммируются; для обеспечения равномерности распределения падения напряжений параллельно каждому из диодов следует подключить резистор сопротивлением 0,5—2 МОм (все резисторы равного номинала).

Рис. 5.2. Вариант выполнения схемы ограничителя

Рис. 5.3. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием симметричного стабилитрона

Одним из вариантов защиты входных цепей ОУ является включение на его входе (симметричного) стабилитрона по схеме, представленной на рис. 5.3. В качестве симметричного стабилитрона можно использовать два (или более) встречно включенных однотипных стабилитрона. Заметным недостатком схем защиты с применение стабилитронов следует считать то, что стабилитроны, как элементы сугубо низкочастотные, имеющие выраженные значения емкостей переходов и их зависимость от приложенного напряжения, могут работать лишь в области весьма низких частот, как правило, до 1 кГц.

Для защиты входных цепей ОУ от перенапряжения можно использовать схему,

представленную на рис. 5.4. Под перенапряжением следует считать такое напряжение на входе, величина которого превышает напряжение питания микросхемы. Решить эту проблему несложно при использовании диодных цепочек VD1 и VD2, которые открываются и подключают вход к шине питания при напряжении на входе на доли вольта превышающем напряжение питания микросхемы.

Рис. 5.4. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.5. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием КМОП- коммутатора

Следующий вариант выполнения цепей защиты основан на использовании КМОП-коммутатора, управляемого входным сигналом (положительной полярности). В случае если напряжение на управляющем входе КМОП-коммутатора превысит уровень 0,6—0,7 от напряжения его питания, ключ коммутатора замкнется, обеспечив защиту входа ОУ.

Рис. 5.6. Вариант схемы защиты входа ОУ

В приведенной на рис. 5.5 схеме питание КМОП-коммутатора осуществляется непосредственно от входного сигнала: это напряжение в положительной полярности через диод VD2 заряжает накопительный конденсатор С1 и ограничивается стабилитроном VD1. Ввиду малого энергопотребления по цепям питания КМОП-коммутатора (доли миллиампера) конденсатор С1 образует импровизированный аналог источника питания микросхемы DA2.

Приведенная выше схема обеспечивает защиту входа ОУ при уровне входного напряжения, незначительно превышающего напряжение стабилизации стабилитрона VD1. Предполагается, что это напряжение меньше или равно напряжению питания микросхемы DA1. Обеспечить защиту по входному сигналу, уровень которого не может превышать напряжение питания ОУ (или на доли вольта превосходит его), можно при использовании схемного устройства, представленного на рис. 5.6.

Следующее техническое решение предусматривает корректную работу элемента защиты при двуполярном входном сигнале (рис. 5.7). Отмечу, что для повышения чувствительности схемы защиты для питания управляющего входа коммутатора можно использовать выпрямители- умножители входного сигнала. Можно также предусмотреть принудительное смещение начального положительного напряжения на управляющем входе КМОП-коммутатора.

Рис. 5.9. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием лавинного транзистора

Рис. 5.8. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием транзисторного ключа переменного тока

Рис. 5.7. Вариант схемы защиты входа ОУ

Стоит напомнить, что большинство КМОП-коммутаторов способно работать до частот, не превышающих 1МГц.

Точнее говоря, предельные возможности таких коммутаторов напрямую зависят от напряжения питания микросхемы коммутатора: чем выше это напряжение, тем выше частота коммутации. Диапазон же питающих напряжений КМОП-коммутаторов отечественного производства лежит в интервале 3—15 В. Соответствующая верхняя предельная частота коммутации может приближаться к 4—5 МГц (для современных моделей КМОП- коммутаторов).

Более быстродействующим элементом защиты являются транзисторные ключи, схема одного из вариантов выполнения которого приведена ниже (см. рис. 5.8). Как и в предшествующих случаях элементом, лимитирующим верхнюю частоту работы устройства, является наиболее низкочастотная деталь — стабилитрон VD5. В этой связи этот элемент целесообразно заменить транзисторным аналогом, варианты которого описаны в монографии [5.1].

Читайте также:  Провода силовые для электрических установок напряжение

Как вариант выполнения цепи защиты можно рассмотреть включенную во входную цепь ОУ мостовую диодную схему, в диагональ которой в инверсном виде включен биполярный

лавинный транзистор VT1 (рис. 5.9). Пробой такого транзистора обычно наблюдается при напряжениях порядка 8—10 В и более, в зависимости от типа транзистора, см. также [5.1].

Отмечу, что обычно лавинные транзисторы при подобном режиме включения работоспособны до частот не свыше 200 кГц. Их аналоги — динисторы обычно работают до частот не более 1 кГц.

Рис. 5.10. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.11. Схема защиты входных цепей ОУ стабилитронами

Рис. 5.12. Схема защиты входных цепей ОУ симметричным стабилитроном

Для того, чтобы ограничить предельное напряжение между входами ОУ, используют простейший диодный ограничитель, подключенный к входам ОУ (рис. 5.10). При малом напряжении сопротивление ограничителя на кремниевых диодах превышает десятки мегаом, зато при последующем росте этого напряжения (при напряжении свыше 0,6—0,7 В) экспоненциально снижается до сотен ом. Область предельных рабочих частот диодной защиты определяется свойствами как самого ОУ, так и типом используемых диодов (ориентировочно до 10 МГц, т. к. на более высоких частотах начинают сказываться емкостные свойства элементов схемы). Уровень ограничения можно ступенчато менять, используя цепочки последовательно включенных диодов.

Вариант схемы защиты входных цепей ОУ с использованием встречно включенных стабилитронов приведен на рис. 5.11. Кроме параллельного включения стабилитронов, рис. 5.11, возможно и их последовательное включение или использование симметричного стабилитрона, рис. 5.12. Применение стабилитронов позволяет заметно повысить напряжение защиты, однако сужает область рабочих частот устройства.

Защита ОУ по цепям питания

Простым способом защиты ОУ от перенапряжения по цепям питания является использование стабилитронов, рис. 5.13. Одновременно решаются задачи защиты, стабилизации напряжения питания, формирования искусственной средней точки. При неверной полярности подключения

Рис. 5.16. Схема ограничителя тока ОУ

на ОУ подается напряжение, равное прямому падению напряжения на стабилитронах, что не приводит к повреждению ОУ

Диодно-резистивная защита, рис. 5.14, спасает ОУ от неверной полярности подаваемого напряжения, однако не защищает его от перенапряжения.

Комбинированная защита ОУ по цепям питания, рис. 5.15, сочетает в себе достоинства ранее рассмотренных технических решений. В схеме использована параллельная диодная защита с использованием диода VD3: при неверной полярности поданного напряжения происходит короткое замыкание источника питания на диод VD3, после чего перегорает предохранитель FU1 и схема обесточивается.

Недостатки такого схемного решения также очевидны:

♦ необходимость использования мощного диода защиты VD3;

♦ возможность повреждения источника питания при использовании суррогатного предохранителя;

♦ необходимость замены предохранителя.

Впрочем, последние проблемы могут быть решены заменой одноразового плавкого предохранителя полупроводниковым многоразовым самовосстанавливающимся предохранителем [5.2].

Для ограничения тока, потребляемого ОУ, используют ограничители тока (генераторы стабильного тока), рис. 5.16.

Защита выходных цепей ОУ

Выходные цепи ОУ чаще всего повреждаются:

♦ или в результате перенапряжений, возникающих при работе ОУ на индуктивную нагрузку;

♦ или от короткого замыкания нагрузки.

Вариант защиты выходных цепей от импульсов непредусмотренной штатным режимом эксплуатации полярности приведен на рис. 5.17.

Рис. 5.18. Схема защиты выходных цепей ОУ с использованием стабилитрона

Рис. 5.7 7. Схема диодной защиты выходных цепей ОУ

Стабилитрон, подключенный параллельно сопротивлению нагрузки, ограничивает предельное напряжение выходного сигнала до уровня напряжения стабилизации, рис. 5.18.

Следует учесть, что частотная область применения такого способа защиты ограничена емкостными свойствами стабилитрона (до единиц килогерц).

Рис. 5.19. Схема ограничителя предельного тока нагрузки ОУ

Кроме того, в зависимости от величины выходного напряжения заметно изменяется и емкость стабилитрона. Это может дополнительно исказить усиливаемый сигнал, а при работе на индуктивную нагрузку вызвать резонансные процессы.

Ограничивают предельный ток нагрузки и, следовательно, защищает транзисторы выходных цепей ОУ от перегрузки ограничитель тока (генератор стабильного тока), рис. 5.19. Следует отметить, что многие современные ОУ имеют подобные цепи защиты непосредственно в составе микросхемы.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Источник