二极管箝位电路 - 运算放大器过压条件的发生原因和箝位技术介绍

二极管箝位电路的权衡取舍—降低精度

虽然图1中的经典电路可以保护运算放大器输入端，但它会向信号路径上引入大量误差。精密放大器的输入失调电压（VOS）通常为微伏等级。例如，ADA4077在−40°C至+125°C的完整工作温度范围内的最大VOS为35 μV。添加外部二极管和限流电阻会引入输入失调误差，该误差经常会比精密运算放大器的固有失调大好几倍。

反向偏置二极管具有反向漏电流，此漏电流从阴极流过阳极。 2 模拟对话 50-05，2016 年5 月当输入信号电压 （VIN） 在供电轨之间的时候，二极管DOVPP和DOVPN具有反向电压。当VIN为地电平时（输入电压范围的中点），经过DOVPN的反向电流大致等于经过DOVPP的反向漏电流。然而，当VCM变为地电平以上或以下时，其中一个二极管中流过的反向电流大于另一个二极管中流过的电流。例如，当VCM等于运算放大器输入电压范围的最大值时—即离正电源2 V（或本电路中的13 V）时，二极管DOVPN上的反向电压为 28 V。查阅1N5177二极管的数据手册可知，这可能会导致反向漏电流接近100 nA。当反向漏电流从输入信号端（VIN） 流过ROVP时，它会在ROVP上造成电压降，看上去就像信号路径上 输入失调电压上升了。

另一个需要担心的地方是，二极管反向漏电流随温度上升而呈指数上升，导致箝位OVP电路的失调电压惩急剧上升。图2是一个不带外部过压电路的运算放大器，以此作为对照基准，该 图显示了ADA4077在−13 V至+13 V输入电压范围内的失调电压测量值。在三个温度下进行测量：25°C、85°C和125°C。注 意在25°C时，本测试中的ADA4077 VOS仅达到了6 μV；哪怕在125°C，VOS也只有大约20 μV。当我们把外部箝位OVP电路加入同一个ADA4077器件，并在VIN端施加输入电压时，可以看到如图3所示的结果。在室温下，VOS跳跃至30 μV—是单个ADA4077信号路径误差的5倍。在125°C时，VOS超过15 mV—等于ADA4077 20 μV的750倍之多！精度下降了。

图2. 输入失调电压与ADA4077输入电压的关系。

图3. ADA4077添加OVP箝位电路后输入失调电压与输入电压 的关系。

在过压条件时，5 kΩ电阻很好地保护了箝位二极管和运算放大器，但正常工作时，若二极管在它两端有漏电流产生，则会引入较多的失调误差（更不要说来自电阻的约翰逊噪声了）。我们需要的是动态输入电阻，它在额定的输入电压范围内工作时具有低电阻，但在过压条件下具有高电阻。