技術(shù) | 如何利用Over-The-Top放大器防止模擬前端過(guò)壓？

在工業(yè)應(yīng)用中，可能出現(xiàn)高壓的情況一直是個(gè)令人擔(dān)心的問(wèn)題。尋找防護(hù)之道一直并將繼續(xù)是開(kāi)發(fā)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文所述的設(shè)計(jì)技巧說(shuō)明，開(kāi)發(fā)人員可以利用Over-The-Top® (OTT)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

即使是工業(yè)應(yīng)用，有時(shí)也會(huì)遇到高于系統(tǒng)電源的電壓。其電位盡管不如汽車電子等應(yīng)用那么高，但常常高于通常的系統(tǒng)電壓。對(duì)于許多運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，某些系統(tǒng)電壓甚至可能過(guò)高。這給模擬前端(AFE)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。例如，較高的電壓會(huì)使典型放大器的內(nèi)部輸入二極管導(dǎo)通。這種狀態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生故障甚至失效的可能性就越大。開(kāi)發(fā)人員可以采取相應(yīng)的預(yù)防措施，例如，使用額外的二極管或電阻的外部保護(hù)電路。然而，這些額外的元件會(huì)占用電路板上的空間，并且存在漏電流、增加輸入電容和噪聲等缺點(diǎn)。因此，采用Over-The-Top技術(shù)的集成IC解決方案是非常好的選擇。

Over-The-Top的工作原理

為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，可以看看最新一代 ADA4098-1 或 ADA4099-1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些OTT運(yùn)算放大器各有兩個(gè)輸入級(jí)。第一級(jí)是共發(fā)射極差分放大級(jí)，由PNP晶體管組成，適用于負(fù)電源(–VS)至比正電源(+VS)低約1.25 V的輸入信號(hào)。第二級(jí)是由更多PNP晶體管組成共基極輸入級(jí)，適用于輸入信號(hào)的共模電壓從+VS – 1.25 V開(kāi)始或更高。內(nèi)部電路的示例如圖1所示。第一級(jí)使用晶體管Q1和Q2來(lái)設(shè)計(jì)，而第二級(jí)使用晶體管Q3至Q6來(lái)設(shè)計(jì)。

圖1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化表示（取自最新一代的ADA4098-1）。

因此，這些輸入級(jí)提供兩個(gè)不同但互補(bǔ)的工作范圍。兩個(gè)輸入級(jí)的失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)整，并已在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出。

當(dāng)輸入的共模電壓接近+VS時(shí)，第二級(jí)被激活，運(yùn)算放大器隨即處于Over-The-Top模式。這可能是各種應(yīng)用中的過(guò)壓情況。例如，對(duì)于高端電流測(cè)量，由于寄生效應(yīng)或負(fù)載相關(guān)效應(yīng)，輸入電壓可能瞬時(shí)會(huì)超過(guò)系統(tǒng)電源電位。典型放大器允許輸入信號(hào)的電壓最高達(dá)到電源電壓軌。如果輸入遠(yuǎn)超過(guò)此范圍，內(nèi)部二極管通常會(huì)導(dǎo)通，大量電流會(huì)流過(guò)其中。根據(jù)信號(hào)電壓和電流，這些尖峰可能會(huì)瞬間中斷放大器的運(yùn)行，在最壞的情況下甚至?xí)?dǎo)致集成電路失效。

與典型運(yùn)算放大器不同，當(dāng)發(fā)生此類問(wèn)題時(shí)，OTT放大器可以承受高達(dá)80 V的差動(dòng)輸入電壓。在這種狀態(tài)下，輸出電平飽和至正電源電壓(+VS)。輸出在此狀態(tài)下仍有能力灌入或輸出數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)標(biāo)稱的極限電流。一旦輸入回到正常工作范圍（–VS至+VS），輸出電平也會(huì)回到正常的線性范圍，而不會(huì)損害或降低直流精度。對(duì)于高達(dá)70 V的共模電壓，情況類似。

采用OTT技術(shù)的放大器的應(yīng)用示例和技巧

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

圖2. 采用ADA4098-1的電流測(cè)量示例。

在低邊測(cè)量中，增益來(lái)自電阻R2和R3。二極管D1可改善低負(fù)載電流下的單電源系統(tǒng)的測(cè)量精度。

在高邊電流測(cè)量中，1 kΩ Vout端接地的電阻和100 Ω（頂部連接）運(yùn)放同相端的電阻對(duì)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(zhuǎn)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(yùn)放的輸入偏置電流可能會(huì)影響通過(guò)這些電阻的壓降，而1%之類的小容差將有助于最大程度地減小此處的壓降范圍。

ADA4098-1的輸出在空載情況下具有軌到軌擺幅（兩個(gè)電源軌分別減去45 mV的范圍內(nèi)）。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(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制，可以驅(qū)動(dòng)200 pF（最小值）的負(fù)載電容。在輸出端和較高容性負(fù)載之間可以插入一個(gè)50 Ω串聯(lián)電阻，以擴(kuò)展放大器的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

如果輸出VOUT驅(qū)動(dòng)一個(gè)電位較低的電路，并且該負(fù)載電路擁有自身電壓軌的保護(hù)二極管，則在VOUT處放置一個(gè)電阻是有意義的。這將限制可能流向負(fù)載電路的電流。

ADA4098-1有一個(gè)專用的SHDN引腳，當(dāng)該引腳置為高電平時(shí)，放大器將被置于功耗非常低的關(guān)斷狀態(tài)。邏輯高電平定義為參考–VS電位，施加到SHDN引腳的電壓≥1.5 V加–VS。VOUT引腳隨后處于高阻態(tài)。有一種替代方法，通過(guò)移除正電源可以將放大器置于低功耗狀態(tài)。在這兩種關(guān)斷模式下，OTT仍處于活動(dòng)狀態(tài)，可以將比–VS最高超過(guò)70 V的電壓施加到輸入引腳。

除了電流或功率測(cè)量之外，OTT放大器的其他用途有用于傳感器前端或4 mA至20 mA電流環(huán)。詳細(xì)信息、更多應(yīng)用示例和計(jì)算可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

結(jié)論

本文說(shuō)明了Over-The-Top放大器如何提供過(guò)壓保護(hù)。憑借智能精密的內(nèi)部電路，Over-The-Top放大器同時(shí)提供魯棒性和準(zhǔn)確性。

ADI的第五代OTT放大器讓最新過(guò)壓保護(hù)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H的電路設(shè)計(jì)。ADA4098-1和ADA4099-1等OTT運(yùn)算放大器不僅能承受遠(yuǎn)高于電源軌的電壓，而且實(shí)現(xiàn)了更低的失調(diào)誤差和噪聲值。