Wzmacniacze operacyjne - ochrona przed przepięciem

Poniedziałek, 06 sierpnia 2007 | Technika

Każdy układ elektroniczny wykorzystujący wzmacniacz operacyjny powinien być wyposażony w układ przeciwdziałający zjawisku przepięcia. Może być ono spowodowane błędem ludzkim, takim jak przyłożenie zbyt dużego napięcia na wejściu wzmacniacza lub być wynikiem nieprawidłowej budowy układu. Większość układów ochronnych opiera się na wykorzystaniu diod, które zwierają nadmiarowego napięcia do sygnału zasilającego lub do masy. Ważną cechą, decydującą o wykorzystaniu tych elementów, jest ich charakterystyka prądowo-napięciowa, która jest różna dla polaryzacji wstecznej i w kierunku przewodzenia.

Wzmacniacze operacyjne - ochrona przed przepięciem

Charakterystyki prądowo-napięciowe można znaleźć w dokumentacji poszczególnych diod. Należy jednak pamiętać, że prąd diody nie jest stały w czasie i zmienia się w zależności od przyłożonego napięcia oraz zależnie od temperatury. Ogólnie przyjętą zasadą jest, że prąd na złączu p-n przy polaryzacji wstecznej zwiększa się dwukrotnie przy każdym wzroście temperatury o 10^°C. Zależność prądu od temperatury znajduje się w dokumentacji większości diod. Zmiana przyłożonego napięcia ma także efekt w postaci zmian pojemności diody. Ma to znaczenie w przypadku pracy impulsowej, ponieważ wpływa na czas reakcji elementu.

Podstawowy układ zabezpieczający

Rys. 1. Popularna metoda zapobiegania przepięciom

Popularną metodą zapobiegania zjawisku przepięcia jest użycie wewnętrznych diod połączonych z wejściem układu zasilającego, których zadaniem jest włączenie napięcia spowodowanego przez ESD do napięcia zasilania. Jest to metoda łatwa w implementacji, jednak uzyskane wyniki mogą różnić się w zależności od zastosowanego układu scalonego.

Na rys. 1 przedstawiono przykład takiego rozwiązania. W tym układzie wykorzystano dodatkowo parę diod zewnętrznych w celu minimalizacji dodatkowego prądu wpływającego do wzmacniacza w przypadku wystąpienia przepięcia. Napięcie dostarczane do wzmacniacza jest blokowane do wartości V_CC+ V_FBDoraz V_EE - V_FBD, gdzie V_FBD oznacza spadek napięcia przy polaryzacji diody w kierunku przewodzenia. W przypadku wystąpienia przepięcia prąd jest ograniczany zgodnie z zależnością:

gdzie V_SUPPLY jest napięciem C_EE lub V_CC. W tej konfiguracji R_LIMIT może także służyć do kontroli wzmocnienia układu. Element ten może także być wykorzystany w przypadku pracy wzmacniacza w trybie odwracającym.

Spadek napięcia na diodach zewnętrznych i wewnętrznych jest w przybliżeniu jednakowy. Oznacza to, że prąd przepływający przez te diody w wyniku wystąpienia przepięcia jest taki sam. Ponieważ poziom dopasowania napięcia przewodzenia różnych typów diod może jednak różnić się nieznacznie, należy tak zaprojektować układ, aby przez układ scalony popłynął prąd o maksymalnej wartości 5mA.

Niebezpiecznym zjawiskiem jest upływ prądu przy polaryzacji wstecznej. Jest to szczególnie niepożądane w przypadku małego prądu na wejściu wzmacniacza. Prąd ten może się różnić dla obydwu typów użytych diod, co jest zależne również od napięcia wejściowego i od temperatury. Powoduje to błędy wyrównania spadków napięć oraz ich nieliniowość na diodach. Przyjętą zasadą jest, że maksymalny upływ prądu przy polaryzacji wstecznej powinien być dziesięć razy mniejszy niż prąd wejściowy wzmacniacza.

Za wykorzystaniem w tym układzie diod Shottky’ego przemawia ich niskie napięcie przewodzenia, które wynosi ok. 0,3V. Należy jednak pamiętać, że wartość ta może się zwiększyć nawet do 1V pod wpływem temperatury oraz przyłożonego napięcia. Ich wadą jest stosunkowo duża wartość przepływającego prądu w przypadku polaryzacji wstecznej. Jeśli zależy nam na dużej dokładności, rzędu nanoamperów, elementy te mogą nie spełnić oczekiwań. Na rynku dostępne są diody charakteryzujące się dobrymi parametrami pracy, odpowiadającymi wymaganiom tego typu układów. Przykładem może być MAX3202E ESD, której prąd wsteczny wynosi maksymalnie 1nA, a pojemność pasożytnicza 5pF. Innym przykładem jest dioda PAD1 firmy Vishay, której prąd wsteczny wynosi maksymalnie 1pA, a pojemność 0,8pF.

W przypadku pracy diody przy polaryzacji wstecznej ważnym czynnikiem do uwzględnienia jest pojemność. Wraz z rezystorem R_LIMIT, tworzy ona filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia:

Jak już zaznaczono, pojemność C_rjest funkcją przyłożonego napięcia. Przy znacznych zmianach tego napięcia istnieje możliwość wystąpienia nieliniowości pracy diody. Pojemność diody ma duże znaczenie dla jej parametrów czasowych. Napięcie jest magazynowane w pobliżu złącza p-n. Aby móc skutecznie wyłączyć diodę, należy odprowadzić nadmiarowe napięcie z tego obszaru. Jeśli czas regeneracji diody nie jest podany w jej dokumentacji, możliwe jest samodzielne zmierzenie tego parametru.

Szumy w napięciu zasilającym

Napięcie zasilania zawsze zawiera pewien poziom szumów. Jest to szczególnie ważne w przypadku układów o dużym wzmocnieniu, ponieważ zakłócenia te ulegają zwiększeniu wraz z sygnałem. Ponadto, rezystory w układach są źródłem szumu termicznego, zależnego od temperatury, natężenia prądu oraz wartości rezystora. Całkowita moc szumów w układzie ze wzmacniaczem operacyjnym będzie więc zależna od wartości rezystora R_LIMIT. Ponadto, należy uwzględnić wkład szumów powstających na diodach Zenera, jeśli używamy ochrony opartej na tych elementach.

Ochrona przez skierowanie prądu do masy

Rys. 2. Układ bocznikujący prąd do masy

Wadą przedstawionego powyżej rozwiązania w przypadku niektórych układów jest niemożliwość włączenia nadmiarowego prądu do sygnału zasilającego. Przeniesienie go jest możliwe tylko, jeśli całkowite obciążenie układu jest większe od wartości prądu przepięcia lub jeśli układ zasilający ma odpowiednie zabezpieczenie. Nie spełnienie tych warunków może doprowadzić do uszkodzenia elementów zasilanych przez układ.

Przykładem układu bocznikującego natężenie prądu do masy jest obwód z rys. 2. W rozwiązaniu tym wykorzystano diody Zenera oraz rezystor R_LIMIT, których zadaniem jest ochrona układu przed nadmiarowym prądem. Aby układ działał poprawnie, napięcie na diodzie musi być mniejsze od napięcia zasilania. Nadmiarowy prąd jest ograniczany zgodnie ze wzorem:

gdzie V_FBZoraz V_RBZ są odpowiednio spadkiem napięcia przy polaryzacji w kierunku przewodzenia i przy polaryzacji wstecznej diody. Suma tych dwóch spadków musi być mniejsza niż napięcie zasilania tak, aby wewnętrzne diody wzmacniacza pozostały w stanie spoczynku.

Rys. 3. Poprawienie parametrów pracy układu poprzez połączenie diod równolegle

Charakterystyczne dla diody Zenera jest większe natężenie prądu przy polaryzacji wstecznej. Prąd ten wzrasta znacznie po przekroczeniu napięcia przebicia, kiedy to następuje gwałtowne przejście do stanu przewodzenia złącza. Inną cechą tego typu diod jest wyższa pojemność, silnie zależna od przyłożonego napięcia. Powoduje to, że mają one gorsze parametry dynamiczne w porównaniu ze zwykłymi diodami. Możliwe jest jednak poprawienie parametrów pracy układu poprzez połączenie tych diod równolegle oraz dołączenie do każdej z nich szeregowo standardowej diody, tak jak zostało to przedstawione na rys. 3. Wynikiem tego jest zmniejszenie całkowitej pojemności, tak że dla całego obwodu zabezpieczającego wynosi ona ok. 2*C_R. Metoda ta redukuje także prąd wsteczny diody Zenera do poziomu prądu normalnej diody krzemowej.

Ochrona różnicowa

Aby wyeliminować upływ prądu oraz utrzymać stałą pojemność diody należy doprowadzić do utrzymania zerowego napięcia na diodach zabezpieczających. Metoda różnicowa, przedstawiona na rys. 4, pozwala na utrzymanie praktycznie zerowego napięcia podczas normalnej pracy układu, natomiast w momencie wystąpienia przepięcia układ ten przewodzi nadmiarowy prąd do masy. W przypadku pracy wzmacniacza w trybie odwracającym, prąd nadmiarowy jest ograniczany przez R_LIMITzgodnie z zależnością:

Gdy wzmacniacz działa w trybie nieodwracającym, zależność ta jest opisana równaniem:

Układ scalony do ochrony sygnału

Rys. 4. Zasada działania metody różnicowej

Zabezpieczenie za pomocą układu scalonego przeznaczonego do ochrony przesyłanego sygnału zostało przedstawione na rys. 5. Tego typu układ pozwala na detekcje przepięcia w obwodzie przy użyciu przełączników zbudowanych w oparciu o tranzystory MOSFET. W przypadku normalnej pracy obwodu, układ ochronny pracuje jak zwykły rezystor włączony szeregowo. Jednak w przypadku wystąpienia przepięcia, układ ten zachowuje się jak otwarty obwód.

Metoda ta przedstawia szereg zalet, jednak czas regeneracji po wystąpieniu przepięcia może być zbyt długi dla niektórych aplikacji. Jeśli mimo to zależy nam na otrzymaniu bardzo małych wartości upływu prądu – rzędu 500pA przy 25^°C, tego typu ochrona może być interesującym rozwiązaniem. Ważną cechą układu jest uzależnienie upływającego prądu oraz pojemności pasożytniczych od napięcia wejściowego. Ponadto, jeśli napięcie zasilania jest zerowe, układ ten może zachować zerowy sygnał na wyjściu przy sygnale wejściowym do 40V.

Jacek Dębowski