高靈敏度運算放大器應用中的過壓保護(OVP)

概述

對于要求過壓保護和低失真，低噪聲，高帶寬的放大器應用，必須特別注意過壓保護(OVP)的設計。導致過壓可能是人為的錯誤，例如把放大器的輸入端對高壓電源短路，也可能是應用中固有的錯誤，例如變送器通常輸出的電壓要高于放大器的電源電壓。

很多放大器過壓保護的方法是使用二極管旁路過壓電流對地或者對電源。這些二極管的電容和泄漏電流會導致失真和帶寬降低。本文會回顧反向偏置二極管的基礎知識，討論幾種保護策略，提供幾種方案降低泄漏電流和電容。運算放大器用來說明保護方法，還有很多方法對分離放大器很適用。

反向偏置二極管基礎

二極管公式如式1所示，有人可能認為反向偏置二極管吸收反向電流I_R等于I_S：

然而，事實是反向電流遠遠高于I_S ，而且隨著溫度和反向偏置電壓而變化。I_R正比于PN結中電荷層的間隔，因為電荷層的間隔與所加的反向電壓有關，因此I_R可以由式2表示：

對于不同的制造商，n的變化可以從2到4，通?？梢詮亩O管的說明書中得到I_R與V_R的關系曲線。

一條被廣泛接受的規(guī)律是溫度增加10C時PN結的反向電流加倍。從這條規(guī)律和一個參考點，我們可以建立式3說明反向電流和溫度的關系：

I₀是溫度T₀時的反向電流。通?？梢詮亩O管的說明書中得到I_R與T的關系曲線。

低于內建電位(硅管大約為0.7V)時二極管的電容由式4表達：

C_j0是0V時PN結的電容，Φ₀是嵌入電壓，M是等級系數，它是P材料和N材料的比值。公式4中對于反向偏置電壓V_R是負電壓，對于正向偏置電壓V_R 是正電壓。該公式對于反向偏置電容是一個很好的模型，對于達到嵌入電壓的一半的正向偏置電容也是一個很好的模型。通常可以從二極管的說明書中得到C_R與V_R的關系曲線。

基本的二極管保護

很多IC 都有內部的靜態(tài)放電(ESD)保護。很多內部ESD保護電路的嵌位二極管連接到電源，所以它旁路ESD尖峰到電源。如果電流通過串聯電阻限制，可以說這些二極管足夠處理過壓保護了；但是，每一個IC具有不同的情況，ESD保護結構也不同。

最好從外部在電源端加鉗位二極管，以減少或消除流入IC的過壓電流(圖1)。

圖1. 基本的二極管保護電路，利用電源端的外部鉗位二極管旁路電源的ESD沖擊。

圖1中的二極管保護方法是將放大器的輸入電壓鉗位到V_CC + V_FBD和V_EE - V_FBD，V_FBD是二極管的正向電壓。過壓電流由R_LIMIT限制，如式5所示:

其中V_SUPPLY是V_EE或者V_CC。 這種保護方法也適用反相運算放大器結構， R_LIMIT也是增益設置電阻。

普通硅二極管的正向電壓與內部ESD二極管的很接近，也就是說出現過壓時，內部和外部二極管共同分擔過壓電流。因為我們不知道兩種二極管的正向電壓是否匹配，我們可以假設所有的過壓電流都通過了內部的ESD二極管。業(yè)界廣泛接受的方式是設定R_LIMIT使電流不超過5mA 。

肖特基二極管具有更低的正向電壓(0.3V)，經常用這種保護結構來旁路故障電流。但是，最低泄漏電流的肖特基二極管的泄漏電流要比最低泄漏電流的硅二極管大幾個量級。對于輸入電流為納安或者更低的應用，肖特基二極管的泄漏電流不能容忍。另外，肖特基二極管的正向電壓很容易隨著溫度和正向偏置電流增加到0.7V，很通用的1N5711肖特極二極管的正向電壓在室溫和15mA偏置電流時為1V。

當放大器的輸入偏置電流很小時，保護二極管的反向偏置漏電流就變得很重要。理論上，所有保護二極管的泄漏電流是相等的，而且不會引入偏差。但是，實際應用中的二極管很難達到完全匹配，而且泄漏電流會隨著輸入電壓和溫度而變化，這些都會引入偏移誤差和非線性。經驗證明，最大反向泄漏電流要比放大器的輸入偏置電流小10倍。

保護二極管的反向偏置電容，C_R，也是需要考慮的很重要的設計標準。每個二極管都會有這個電容，與 R_LIMIT相結合，會形成低通濾波器，其截止頻率可通過式6計算：

因為C_R是電壓的函數，所以輸入電壓擺幅較大時會引起明顯的非線性。

保護電路的恢復時間也許是另一個重要的設計標準。當二極管是正向偏置時，電荷儲存在PN結的損耗區(qū)。為了關斷二極管，必須把電荷從損耗區(qū)清除。高速開關二極管制造商通常會給出反向恢復時間trr，但是低泄漏二極管制造商通常不會給出這個指標。如果沒有給出，我們可以測量得到這個指標。

很多IC公司提供封裝的二極管陣列，這些IC具有很好的反向泄漏電流和電容指標。例如MAX3202E ESD 保護二極管陣列僅有1nA (最大值)的漏電流，每個通道僅有5pF的電容。如果需要更低的反向泄漏電流，可連接2N3904系列的二極管。Vishay提供的PAD1二極管具有更低的反向泄漏電流和電容：1pA (最大值)和0.8pF (最大值)。

二極管對地保護

旁路過壓電流意味著電源必須吸收電流。很多電源不能吸收電流，如果電源總的負載比故障電流大很多或者電源具有過壓保護，也是可以接受的。否則，電源電壓將會上升，從而引起器件損壞。

圖2. 該OVP電路利用齊納二極管將過壓電流旁路到地

齊納二極管作為過壓保護器利用限流電阻將故障電流旁路到地(圖2)。注意，當齊納電壓低于電源電壓時保護才會起作用。

過壓電流受R_LIMIT限制，由式7確定：

V_FBZ是齊納二極管的正向壓降，V_RBZ是齊納二極管的反向壓降，它們都與溫度和偏置電流有關。它們的和必須小于電源電壓，這樣放大器內部的ESD二極管才不會導通。

通常齊納二極管的反向漏電流要大于硅二極管，反向電流會隨著電壓接近擊穿電壓而迅速增大，有時我們把I-V曲線看作“膝形”曲線。如果輸入信號擺幅很大，就會引入非線性。齊納二極管的電容也隨著電壓而變化，而且要比硅二極管大。

可以并聯齊納二極管以及串聯硅二極管來改善帶寬和漏電流等特性(圖3)，過壓電流受R_LIMIT限制，由式8確定：

圖3. 改善帶寬和漏電流特性的齊納二極管保護電路，并聯齊納二極管，并增添了串聯硅二極管

這樣，輸入信號源的總電容降為2 x C_R。漏電流也降為硅二極管的水平。注意，這一保護結構也適合反相放大器。

差分二極管保護

保持漏電流和電容恒定的最好方法是保持保護二極管的電壓為0V。差分二極管保護電路在放大器的正常工作模式下保持0V的偏置(圖4)。出現過壓時，二極管將故障電流旁路到地。

圖4. 為確保固定的漏電流和電容，圖中的兩個電路利用差分二極管結構保證在正常工作模式下保護二極管兩端的電壓為0V

對于反相結構的運算放大器，過壓電流受R_LIMIT限制，由式9確定：

對于同相結構的運算放大器，過壓電流受R_LIMIT限制，由式10確定：

信號保護集成電路

信號保護IC提供過壓檢測電路以及 MOSFET開關(圖5)。

圖5. 信號保護器，如MAX4505，由過壓檢測電路和MOSFET開關組成，出現故障時，輸入端開路

當輸入信號在電源電壓范圍內，信號保護器 如同一個串聯電阻，出現過壓時，信號保護器 如同開路。

使用信號保護器有幾個好處。第一，漏電流很小，能夠滿足多數應用的要求，例如：MAX4505在25C時最大漏電流為500pA；第二，輸入電壓和內部無源器件的寄生漏電流和電容沒有很強的依賴關系；第三，沒有電源時，信號保護器 能夠承受40V的輸入電壓，輸出為0V，而且不會產生任何損壞。

不幸的是對某些應用來說其恢復時間太慢，另外，對成本要求苛刻時，應該使用分立器件。

噪聲考慮

放大器的偏置電流包含噪聲，當電流噪聲流過電阻時會產生電壓噪聲。另外，電阻也會產生熱噪聲 ，其中，K是波爾茲曼系數， T是Kelvin溫度，B是帶寬， R是電阻。運算放大器電路的所有噪聲由式11給出：

R_p和R_n是運算放大器正極輸入端和負極輸入端的電阻，R_n通常等于并聯后的增益設置電阻(R_F//R_I)。 V_p和V_n是運算放大器同相輸入端和反相輸入端的電壓噪聲，I_p和I_n是運算放大器同相輸入端和反相輸入端的電流噪聲。式11給出了R_LIMIT通過R_p或R_n對系統噪聲的影響(與配置有關)。如果使用齊納管進行保護，請確認將齊納管的噪聲添加到方程中。