Nadnapięciowa ochrona wzmacniaczy

Do nadnapięciowej ochrony wzmacniaczy stosuje się przeważnie diody, które mają odprowadzać nadmierne natężenie prądu do masy lub do zasilacza. Skutkiem przyłączenia takich diod są zniekształcenia, wywołane wprowadzeniem do układu dodatkowej pojemności, a także obciążeniem go prądem upływu. Istnieją sposoby przeciwstawiania się tym skutkom. Sposoby te są przedstawione na przykładzie wzmacniaczy operacyjnych.

Podstawowe dane diod zaporowych

Charakterystykę diody przy polaryzacji zaporowej można przedstawić równaniem:

i można przyjąć, że prąd zaporowy I_Z, płynący przez spolaryzowaną zaporowo diodę przedstawia I_S. Jednakże w praktyce prąd I_Z jest znacznie od I_S większy i zależy od temperatury oraz od napięcia zaporowego. I_Z jest proporcjonalny do objętości warstwy ładunku przestrzennego złącza PN. Ponieważ objętość ta zależy od przyłożonego napięcia zaporowego U_Z, I_Z opisuje równanie:

gdzie n mieści się w granicach od 2 do 4, zależnie od wytwórcy diody. Zwykle krzywe zależności I_Z=f(U_Z) można znaleźć w danych technicznych diody.

Według powszechnie przyjętej zasady prąd wsteczny w złączu PN podwaja się na każde 10ºC wzrostu temperatury. Przyjmując tę zasadę i biorąc punkt odniesienia, można ustalić zależność natężenia od temperatury:

gdzie I₀ oznacza natężenie prądu zwrotnego w temperaturze T₀. Krzywą I_Z=f(U_Z) można zwykle znaleźć w danych technicznych diody. Pojemność diody w potencjałowym obszarze złącza (dla krzemu ok. 0,7 V) można wyrazić zależnością:

gdzie C_j0 oznacza pojemność złącza PN przy napięciu 0 V, Ф₀ to potencjał złącza, M oznacza bezwymiarowy współczynnik stopniujący, wyrażający stromość zmian w złączu pomiędzy obszarami P i N.

W powyższym równaniu napięcie U_Z jest ujemne dla polaryzacji zaporowej, a dodatnie dla polaryzacji przewodzenia. Równanie dobrze przedstawia pojemność zwrotną oraz pojemność przewodzenia diody do około połowy potencjału złącza. Krzywą C_Z = f(U_Z) można zazwyczaj znaleźć w danych technicznych diody.

Podstawy ochrony diodowej

Rys. 1. Podstawowy układ z diodową ochroną wzmacniacza z zewnętrznymi diodami poziomującymi, służącymi do odprowadzania wyładowań elektrostatycznych do zasilacza

Większość układów scalonych zawiera jakieś elementy ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Najczęściej są to połączone z doprowadzeniami zasilania diody poziomujące, przez które impulsy ESD mogą spływać do zasilacza. Można przyjąć, że są one dostatecznie wytrzymałe, aby sprostać zwiększeniu napięcia, gdy prąd jest ograniczany szeregowym rezystorem. Jednakże każdy układ scalony jest inny, a obwody ochrony przed ESD mogą znacznie się różnić.

Najlepszym rozwiązaniem jest dodanie połączonych z zasilaniem zewnętrznych diod poziomujących, minimalizujących lub eliminujących przepływ nadmiernego prądu przez układ scalony. Rysunek 1 przedstawia najprostszy sposób ochrony diodowej nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego spinaniem napięciowego wejścia wzmacniacza z U_CC + U_P i z U_EE - U_P. Prąd wywołany wzrostem napięcia jest ograniczany przez R_OGR, zgodnie z równaniem

gdzie U_CC oznacza dodatni biegun zasilania, U_EE - ujemny biegun zasilania, U_P - napięcie przewodzenia diody, R_OGR - rezystancję ograniczającą prąd, I_OGR - natężenie prądu ograniczania, U_ZAS oznacza U_CC lub U_EE.

Ten sposób ochrony nadaje się również dla odwracającego wzmacniacza operacyjnego, w którym R_OGR jest równocześnie elementem obwodu ustalającego wzmocnienie.

Napięcia przewodzenia zwykłej krzemowej diody i wewnętrznej diody ochronnej są zbliżone, zatem w nadnapięciowych warunkach prąd przeciążeniowy płynie przez obie. Zróżnicowanie napięć przewodzenia obu diod nie jest znane, warto więc przyjąć, że cały ten prąd płynie przez wewnętrzną diodę ochronną. Przyjętą zasadą jest taki dobór rezystora R_OGR, aby natężenie prądu płynącego przez wejście układu scalonego nie przekraczało 5 mA.

W układach ochronnych często są stosowane diody Schottky’ego z powodu niższego napięcia przewodzenia (ok. 0,3 V), jednakże wykazują one prąd upływu o rząd wielkości większy niż diody krzemowe. W aplikacjach z układami o nanoamperowym lub niższym prądzie wejściowym diody Schottky’ego są więc nie do przyjęcia. Ponadto napięcie przewodzenia tych diod wraz z temperaturą i prądem przewodzenia zwiększa się do 0,7 V. Często używaną diodę Schottky’ego 1N5711 charakteryzuje 1 V maksymalnego napięcia przewodzenia i do 15 μA prądu wstecznego w temperaturze pokojowej.

Natężenie wstecznego prądu upływu diody ma tym większe znaczenie, im mniejsze jest natężenie wejściowego prądu polaryzacyjnego wzmacniacza. W idealnym przypadku prądy obu diod ochronnych są jednakowe i wyrównują się wzajemnie. W praktyce jednak się to nie zdarza, prądy upływu zależą od napięcia wejściowego i temperatury, powodując niewyrównanie i nieliniowości. W praktyce należy dążyć do utrzymania maksymalnych prądów zwrotnych dziesięciokrotnie mniejszych od wejściowego prądu niewyrównania wzmacniacza.

Istotnym kryterium projektowania jest także pojemność zaporowa diody ochronnej, C_Z. W każdej diodzie ta pojemność wraz z rezystancją R_OGR tworzy filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej:

Jak podano wcześniej, C_Z zależy od przyłożonego napięcia, zatem przy jego większych zmianach powstają znaczne nieliniowości. Trzeba również pamiętać o czasie regeneracji obwodów ochronnych. Gdy dioda jest spolaryzowana przewodowo, w zubożonym obszarze jej złącza PN gromadzi się ładunek. Przy wyłączaniu diody ładunek ten musi zostać odprowadzony. Producenci szybkich diod przełączających zwykle podają czas regeneracji zaporowej t_rr, ale producenci diod o małym upływie już nie. Jeśli nie ma go w danych technicznych diody, czas ten daje się zmierzyć.

Liczni producenci półprzewodników oferują pakiety diod o małym prądzie zaporowym upływu i małej pojemności. Na przykład diody z pakietu ochrony przed ESD, MAX3202E, wykazują maksymalny prąd upływu 1 nA i pojemność 5 pF. Niskim prądem zaporowym charakteryzuje się także 2N3904, a jeszcze lepsze są diody firmy Vishay (maks. 1 pA i 0,8 pF).

Ochrona diodowa do masy

Rys. 2. Układ ochrony nadnapięciowej wzmacniacza z diodami Zenera do odprowadzania ładunku do masy

Odprowadzanie nadmiernego prądu do zasilacza oznacza, że powinien on ten prąd przyjmować. A wiele zasilaczy nie jest do tego zdolnych. Akceptują to tylko wtedy, gdy odprowadzany prąd nie przewyższa całkowitego prądu zasilania albo gdy zasilacz jest wyposażony w ochronę nadnapięciową. Gdy nie ma on zdolności do pochłaniania prądu zwrotnego, napięcie zasilania może wzrosnąć i doprowadzić do uszkodzenia zasilanych układów.

Do ochrony nadnapięciowej mogą zostać zastosowane diody Zenera, które odprowadzą nadmierny prąd do masy przez rezystor ograniczający (rys. 2). Diody Zenera są w tej roli skuteczne, jeżeli napięcie Zenera jest niższe od napięcia zasilania. Nadmierny prąd jest ograniczany przez R_OGR zgodnie z równaniem:

gdzie U_PZ oznacza napięcie przewodzenia diody Zenera, U_ZZ - napięcie zaporowe diody Zenera.

Rys. 3. Układ ochrony nadnapięciowej, o udoskonalonych charakterystykach pasma i upływu, z równoległymi diodami Zenera szeregowo połączonymi z diodami krzemowymi

Napięcia te zależą od temperatury i prądu początkowego. Suma spadków napięcia zaporowego i przewodzenia obu diod nie może przekraczać napięcia zasilania, aby nie zaczęły przewodzić wewnętrzne diody ochrony wzmacniacza przed ESD.

Natężenie zaporowych prądów upływu w diodach Zenera jest wyższe niż w zwykłych diodach krzemowych. Prądy te gwałtownie wzrastają w pobliżu napięcia przerzutu, co jest niekiedy nazywane "kolanem" charakterystyki I=f(U). Znaczne zmiany napięcia wejściowego mogą więc być źródłem nieliniowości. Także pojemność diod Zenera jest znacznie wyższa niż w diodach krzemowych i silnie zależy od napięcia.

Pasmo częstotliwości i charakterystyki upływności układów chronionych diodami Zenera mogą zostać ulepszone przez równoległe użycie diod Zenera połączonych szeregowo z diodami krzemowymi (rys. 3). Nadmierny prąd jest przy takim rozwiązaniu ograniczany przez R_OGR zgodnie z równaniem:

gdzie U_PSi oznacza napięcie przewodzenia diody krzemowej, a U_ZZ - napięcie zaporowe diody Zenera.

Całkowita pojemność zostaje w ten sposób tak zmniejszona, że źródło sygnału widzi w przybliżeniu tylko 2CSi,. Również upływ jest w przybliżeniu zmniejszony do upływu dwóch diod krzemowych. Opisany powyżej sposób ochrony działa również we wzmacniaczu odwracającym.

Różnicowa ochrona diodowa

Rys. 4. W przedstawionych układach dla uzyskania stałości upływu i pojemności użyto odwrotnie połączonych diod, które w normalnych warunkach utrzymują zerowe napięcie zrównoważenia

Jednym z najlepszych sposobów utrzymywania upływu i pojemności na stałym poziomie jest zachowanie zerowego napięcia na dwóch odwrotnie równolegle połączonych diodach ochronnych. W trakcie normalnego działania wzmacniacza na diodach utrzymuje się napięcie zerowe, a w warunkach nadnapięcia, diody odprowadzają nadmierny prąd do masy (rys. 4).

W odwracającym wzmacniaczu operacyjnym nadmiarowy prąd jest ograniczany przez R_OGR zgodnie z równaniem:

W nieodwracającym wzmacniaczu operacyjnym nadmiarowy prąd jest ograniczany przez R_OGR zgodnie z:

Układy scalone typu Signal-Protector

Rys. 5. Układ MAX4505 z obwodem ochrony nadnapięciowej o MOSFET-owym przełączniku. W razie nadnapięcia obwód ten przechodzi w stan rozwarcia

Układy takie zawierają obwody chronione nadnapięciowo z MOSFET-owymi przełącznikami (rys. 5).

Dopóki sygnał wejściowy mieści się w granicach napięcia zasilania, obwód ochrony nadnapięciowej zachowuje się jak rezystor szeregowy. Pojawienie się nadnapięcia powoduje rozwarcie tego obwodu.

Używanie Signal-Protectora ma szereg zalet. Po pierwsze, jego prąd upływu jest dla wielu aplikacji wystarczająco mały. Maksymalny prąd upływu na przykład układu MAX4505 wynosi ±500 pA przy 25ºC. Po drugie, Signal Protectory, w przeciwieństwie do elementów biernych, nie wykazują silnego powiązania napięcia wejściowego z prądem upływu czy z pojemnością. Po trzecie, przy wyłączonym zasilaniu Signal Protector utrzymuje na wyjściu 0 V aż do ±40 V na wejściu.

Czas jego regeneracji dla niektórych aplikacji może być zbyt długi. Koszt jego zastosowania jest wyższy od kosztu rozwiązań dyskretnych.

Szumy

Prąd niezrównoważenia wzmacniacza zawiera oczywiście szumy. Gdy przepływa przez rezystor, dołącza się napięciowy szum termiczny:

gdzie k oznacza stałą Boltzmanna, T to temperatura w Kelwinach, B oznacza szerokość pasma, R to rezystancja

Całkowite szumy wzmacniacza operacyjnego w odniesieniu do jego wejścia wynoszą:

gdzie R_P i R_N oznaczają rezystancje wejściowe dodatnią i ujemną wzmacniacza operacyjnego. R_N jest równa rezystancji równolegle połączonych rezystorów wyznaczającego wzmocnienie dzielnika sprzężenia zwrotnego, U_P i UN oznaczają szumy na wejściach dodatnim i ujemnym wzmacniacza operacyjnego.

Powyższe równanie wykazuje, że udział R_OGR w szumach systemu wynika z udziału R_P i R_N (zależnie od konfiguracji). W razie użycia ochrony diodami Zenera szumy tych diod należy uwzględnić w równaniu. (KKP)