如何使用过顶放大器防止模拟前端过压

介绍

在工业应用中，发生高电压的可能性是一个持续关注的问题。找到提供保护的方法一直是并将继续是开发人员的一项重要任务。此设计技巧说明了开发人员如何利用过顶 （OTT） 放大器来实现此目的。

即使是工业应用，有时也会遇到高于系统电源的电压。虽然这里的电位不像汽车电子那样高，但它们通常高于通常的系统电压。对于许多运算放大器来说，某些系统电压甚至可能过高。这给模拟前端（AFE）带来了巨大的挑战。例如，较高的电压会使典型放大器的内部输入二极管导通。这种状态存在的时间越长，发生故障甚至故障的可能性就越大。开发人员可以使用外部保护电路（例如外部二极管或电阻器）采取相应的预防措施。然而，这些额外的元件需要电路板上的空间，并且具有漏电流、额外电容和噪声等缺点。因此，采用 Over-The-Top 技术的集成 IC 解决方案是首选。

OTT如何工作？

为了简化说明，可以考虑最新一代ADA4098-1或ADA4099-1的内部。这些 OTT 运算放大器每个都有两个输入级。第一个是共发射极差分级，由PNP晶体管组成，用于负电源（–V）之间的输入信号S），最高电压比正电源低约 1.25 V（+VS).第二个是共基极输入级，由其他PNP晶体管组成，用于共模电压为+V的输入信号S– 1.25 V 或更高。内部电路示例如图1所示。第一级设计有晶体管Q1和Q2，而第二级设计有晶体管Q3至Q6。

图1.内部结构的简化表示（取自最新一代ADA4098-1）。

因此，这些输入级导致两个不同但互补的工作范围。两个输入级的失调电压经过严格调整，并在数据手册中给出。

当输入的共模电压接近+V时S，第二级被激活，然后运算放大器处于过顶模式。这可能是各种应用中的过压情况。例如，对于高端电流测量，由于寄生效应或负载相关效应，电压可能会超过系统电源电位，即使是暂时的。典型放大器允许信号电压高达电源电压范围。如果输入远远超过此范围，内部二极管通常会导通，并且有大量电流流过它们。根据信号电压和电流，这些尖峰可能会中断放大器的运行，甚至在最坏的情况下会导致集成电路失效。

与遇到此类问题的典型运算放大器不同，具有OTT的放大器可以承受高达80 V的差分输入电压。在这种状态下，输出电平饱和至正电源（+VS).在此状态下，输出保持其吸收或提供数据手册限值内的电流的能力。一旦输入恢复到正常工作范围（–VS至 +VS），输出电平也将恢复到通常的线性范围，而不会损坏或降低直流精度。对于高达70 V的共模电压，情况类似。

采用OTT技术的放大器的应用示例和技巧

一些电流测量示例可在图2中找到。ADA4098-1是低功耗版本，而ADA4099-1具有更高的带宽和更高的电压上升速率。

图2.使用ADA4098-1的电流测量示例

在低端测量中，增益来自电阻R2和R3。二极管 D1 提高了低负载电流下的单电源精度。

在高端电流测量中，1 kΩ和100 Ω（顶部）电阻对增益起决定性作用。放大器输入端的电阻提供滤波等功能。在这种情况下，1%的电阻是最佳的。可能的输入偏置电流会导致通过这些电阻的压降，而诸如1%的紧密容差将有助于最小化此处的压降范围。

ADA4098-1的输出在两个电源电压的45 mV范围内，在轨与轨之间空载摆幅。输出可提供24 mA电流和35 mA灌电流。该放大器具有内部补偿功能，可驱动 200 pF（最小值）的负载电容。可以在输出和更高容性负载之间插入一个 50 Ω 串联电阻，以扩展放大器的容性负载驱动能力。

如果输出 V外驱动具有较低电位的电路，并且该下游电路具有用于其自身电压轨的保护二极管，因此将电阻放置在V处是有意义的外.这将限制流向下游电路的可能电流。

ADA4098-1具有专用SHDN引脚，当该引脚置位为高电平时，可将放大器置于极低关断状态。逻辑高电平由施加到SHDN引脚的≥1.5 V电压（相对于–V）定义S针。五世外引脚则处于高阻抗状态。作为一种替代方法，可以通过移除正电源有效地将放大器置于低功耗状态。在这两种关断模式下，OTT 仍处于活动状态，电压高达 70 V 至 –VS可应用于输入引脚。

除电流或功率测量外，OTT放大器的其他用途是传感器前端或4 mA至20 mA电流环路。详细信息、更多应用示例和计算可在数据手册中找到。

结论

本文演示了过顶放大器如何提供过压保护。由于智能和精确的内部电路，Over-The-Top放大器同时提供稳健性和准确性。

ADI公司的第五代OTT放大器为您的电路设计提供实验室中最新的过压保护。OTT运算放大器（如ADA4098-1和ADA4099-1）可提供超出供电轨的更高电压容差，同时实现更低的失调误差和噪声值。

审核编辑：郭婷