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ADA4177系列输入过压保护运算放大器的实际设计考虑
资料介绍
ADA4177系列输入过压保护运算放大器的实际设计考虑
简介
ADI公司的精密和高速运算放大器产品线具有悠久的创新
传统。有些创新旨在降低功耗,同时保持甚至改善速度和
噪声性能;有些创新旨在通过降低失调、热漂移、电源抑
制和共模电压变化来提高精度。
此外,最近的创新已经开始关注与放大器正常工作无关的
环境因素。实例包括在放大器前端中集成电磁干扰(EMI)
抑制和过压保护(OVP)特性。
抑制外部噪声源包括消除距离很近的开关器件或无线通信
信号(来自WiFi、手持式无线电和手机等移动通信设备)的
电磁与射频干扰的影响。EMI滤波元件的集成和规格已成
为许多放大器设计的一个特性,ADI公司对此非常积极。
同样,保护运算放大器输入端免受高于正供电轨或低于负
供电轨的电压影响也是这种创新的一个目标。
自1994年发布OPx91系列以来,ADI公司一直是OVP放大
器市场的领军企业。OPx91是业界首款集成OVP的放大
器,提供最高10 V保护,可防止电路在过压事件期间受到
过大电流影响。2008年发布的ADA4091系列运算放大器将
OVP性能水平提高到25 V。随后,2011年发布的ADA4096
系列将OVP性能水平提高到32 V,这在如今仍然是集成保
护的标准。
2014年 , ADA4177系 列 (ADA4177-1、 ADA4177-2、
ADA4177-4)的发布首次将ADI集成OVP解决方案引入低噪
声、精密运算放大器。它还给OVP解决方案增加一个额外
特性,即在OVP事件期间防止输入电流提升正电压轨,另
外还给增加了一个EMI滤波器。
ADA4177系列为运算放大器的鲁棒操作树立了新的标准。
本应用笔记探讨ADA4177 OVP特性的应用,并就新OVP允
许用户扩展保护范围,同时防止输入端过流并限制自热效
应的方式提供指导。
图5为ADA4177正输入端的概念原理图。如果VIN超过VCC,
限流FET J1B就会使过压电流流入QP1的发射极。此电流由
QP1的电流增益(或β)减小,使得过压电流路由至负电源,
而不是正电源。
利用限流电阻扩展输入OVP保护范围并使OVP事件
期间的自热效应最小
ADA4177输入端配有限流JFET。在过压或差分故障期间,
这些JFET限制电流流入放大器,从而提高器件的鲁棒性和
可靠性。然而,为使正常工作期间的输入噪声保持最小,
这些FET必须很大。
与此相关的工程权衡结果是,限流可能不是低到能满足所
有应用的需求。如图6所示,在10 V过压(OV)时,正输入端
吸收大约7.5 mA电流。功耗(PD)计算如下:
θJA为158 W/°C,因而温度升幅约为12°C。如果ADA4177-4用
在所有控制输入都可能受过压状况影响且时间不定的情况
下,功耗可能会将结温快速提升到最大值150°C
如果所有输入可能会同时经受长时间(>500 ms)过压,则输
入端必须串联限流电阻。此电阻不仅能扩展器件的过压范
围,还能分担过压期间的功率负荷。图7所示为ADA4177-4
在32 V过压事件期间的功耗,一条曲线反映的是仅两个正
输入端经受过压,另一条曲线反映的是所有四个正输入端
同时经受过压。图7显示了两个/四个输入端经受32 V过压时
ADA4177的功耗与附加输入串联电阻的关系。
图8显示了ADA4177-4在相同过压事件期间的温度升幅,使
用假设的θJA (158 W/°C)来计算芯片温度的升幅,其绘制方
式与图7所示功耗相同。
例如,将一个2 kΩ电阻与正输入端串联可使ADA4177在过
压期间的功耗减半,而在正常工作期间,其仅给系统增加
大约1 nV/√Hz的噪声。增加此电阻会限制过压期间的温度
升幅。若没有此电阻,当所有四个输入端都经受过压时,
温度上升可能达到大约150°C;若有该外部电阻,温度上
升仅为大约75°C。类似地,若有两个输入端经受过压,在
没有此电阻的情况下,温度上升可能达到大约70°C;在有
该电阻的情况下,温度上升仅为大约40°C。
此外,过压保护范围也从32 V提高到50 V,因为外部电阻会
分担一部分过压负荷。
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