如何保護(hù)放大器以及保護(hù)它的安全性

成為應(yīng)用工程師最好的事情是我遇到的各種各樣的客戶，應(yīng)用程序，電路和問(wèn)題，所有這些都為我提供了學(xué)習(xí)新東西的日常機(jī)會(huì)。每年我都會(huì)收到幾個(gè)問(wèn)題，關(guān)于當(dāng)電源 off 時(shí)用戶可能對(duì)我們的放大器產(chǎn)生的性能。我喜歡把這些放大器稱為“ off-amps 。”

除靜電放電（ESD）測(cè)試外，放大器的特點(diǎn)是電源開(kāi)啟，因此解決了 - 放大器問(wèn)題并不總是被切割和干燥。回答放大器問(wèn)題需要詳細(xì)了解放大器的內(nèi)部晶體管級(jí)工作，放大器如何在沒(méi)有電源的情況下運(yùn)行，外部電路連接到放大器，以及外圍電路如何在沒(méi)有電源的情況下運(yùn)行。 / p>

奇怪的是，我收到的大多數(shù)放大器問(wèn)題都涉及電壓而不是電源電壓。感興趣的電壓通常是施加到關(guān)閉放大器的輸入或輸出的電壓。為了節(jié)省電力，用戶將有選擇地關(guān)閉其系統(tǒng)的某些部分。這通常導(dǎo)致電壓施加到系統(tǒng)的未供電部分。用戶通常有興趣了解放大器如何對(duì)這種錯(cuò)誤電壓作出反應(yīng)，以及他們必須采取哪些預(yù)防措施來(lái)確保放大器的安全性。

了解如何保護(hù)放大器，我們首先要看看ESD保護(hù)二極管，這是放大器的第一道防線。 ESD二極管可以保護(hù)放大器免受短時(shí)高壓的影響，但如果通過(guò)它們的電流不受限制，則可能會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間暴露在低直流電壓下而損壞或損壞放大器。圖1顯示了具有ESD保護(hù)二極管的典型運(yùn)算放大器。

二極管D1至D7構(gòu)成放大器的ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在±IN之間的虛線內(nèi)顯示的二極管形成另一個(gè)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)放大器輸入級(jí)免受過(guò)壓條件 1 。反并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)二極管的數(shù)量因放大器而異。要估算放大器輸入之間的二極管數(shù)量，請(qǐng)查看放大器數(shù)據(jù)表中絕對(duì)最大額定值表中的差分輸入電壓。

當(dāng)放大器電源關(guān)閉時(shí)，±IN上的電壓可以打開(kāi)二極管D1到D4。圖1顯示了從+ IN到保護(hù)二極管到電源的電流路徑，假設(shè)存在到地的返回路徑。紅色曲線顯示正電壓到+ Vs的路徑;藍(lán)色跡線顯示負(fù)電壓到-Vs的路徑。在斷路放大器的輸出端存在電壓的情況下，可以通過(guò)二極管D6和D7從輸出到電源得到類似的路徑。最重要的安全預(yù)防措施是限制進(jìn)入放大器引腳的電流。

在沒(méi)有電流限制的情況下，二極管和放大器可能會(huì)損壞或損壞。我們通常建議將進(jìn)入任何放大器引腳的電流限制在5 mA或更低。通常，所有必須添加的是串聯(lián)電阻。圖2顯示了限流電流的示意圖。在正常工作條件下，Rs對(duì)整個(gè)電路功能影響很小。假設(shè)在±Vs引腳接地的情況更糟的情況下，計(jì)算Rs，如下式所示：

在另一個(gè)涉及FET輸入放大器的近期放大器詢問(wèn)中，用戶想知道配置為單位增益的放大器是否仍然會(huì)在同相輸入端對(duì)直流電壓產(chǎn)生高輸入阻抗。

像外交官一樣，我回答說(shuō)：“是的，不是?！睂?duì)于低于0.6 V的電壓，放大器輸入呈現(xiàn)高輸入阻抗，因?yàn)镋SD二極管需要至少0.6 V才能導(dǎo)通。沒(méi)有傳導(dǎo)路徑，輸入仍然顯示為高阻抗。但是，如果輸入電壓大于0.6 V，則電流將開(kāi)始流過(guò)ESD二極管和關(guān)閉放大器內(nèi)的其他“潛行路徑”。要限制D3中的電流，請(qǐng)使用公式求解Rs。更糟糕的情況是4 V施加到放大器輸入，Rs必須至少為680歐姆，而不是高輸入阻抗。

反極性保護(hù)可以幫助這些應(yīng)用。作為國(guó)防電子設(shè)計(jì)的前設(shè)計(jì)師，反極性保護(hù)是我經(jīng)常融入我的設(shè)計(jì)的東西。即使極性錯(cuò)誤的電源連接到系統(tǒng)的偏置引腳，反極性保護(hù)也可確保電路安全。采用反極性保護(hù)是一種簡(jiǎn)單，低成本的保險(xiǎn)政策;所需要的只是一對(duì)二極管。如果施加正確的電源極性，二極管正向偏置，電路按預(yù)期工作。如果施加相反的電源極性，則二極管反向偏置。沒(méi)有電流可以通過(guò)，電路受到保護(hù)。圖3顯示了一個(gè)帶有反極性保護(hù)二極管的放大器。

反極性保護(hù)二極管還允許在更大的輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，因?yàn)槎O管會(huì)增加額外的電壓降，必須在電流流動(dòng)之前克服。通過(guò)外部二極管RPD1可以優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)阻止電流流過(guò)D3至+ Vs引腳。對(duì)于正電壓，RPD1反向偏置，因此阻止電流流過(guò)D3。電流不會(huì)通過(guò)ESD二極管D4從輸入流向負(fù)軌，后者是反向偏置的，但它尋找通過(guò)FET輸入級(jí)的PN結(jié)的另一條路徑。二極管RPD2形成一個(gè)額外的電壓屏障，必須在任何電流流動(dòng)之前克服。

圖4顯示了用于測(cè)量關(guān)斷放大器輸入阻抗的測(cè)試電路。注意，Rs大于等式所要求的值。較大的電阻可以更大地限制電流，同樣重要的是，它在實(shí)驗(yàn)室中很容易獲得。

圖5顯示了沒(méi)有反極性保護(hù)二極管的FET關(guān)斷放大器的輸入阻抗。輸入阻抗隨著增加的偏壓使D3更難轉(zhuǎn)動(dòng)而降低。

圖6顯示了兩個(gè)不同負(fù)載條件下的輸入阻抗，其中反極性保護(hù)二極管就位。請(qǐng)注意，圖6中的Y軸為M歐姆而不是K歐姆，如圖5所示。反極性保護(hù)二極管提供三個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。斷點(diǎn)表示當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，關(guān)閉放大器內(nèi)的不同結(jié)點(diǎn)被接通。反極性保護(hù)二極管有助于提高斷點(diǎn)的閾值。負(fù)載阻抗的值是該應(yīng)用中的重要考慮因素。對(duì)地的低阻抗分流負(fù)載將為電流提供并聯(lián)的低阻抗路徑，并使這種方法無(wú)用。因此，用戶必須了解關(guān)閉放大器在沒(méi)有電源的情況下的行為，以及相鄰電路的行為方式。

了解放大器問(wèn)題的底部可能具有挑戰(zhàn)性，必須考慮的許多因素。放大器類型，外圍電路以及輸入和輸出電壓都很重要。保護(hù)關(guān)斷放大器的最佳方法是確保接觸放大器的任何電路的電源也關(guān)閉。如果那是不可能的，那么一定要限制進(jìn)入放大器的電流。如果您需要其他幫助，請(qǐng)務(wù)必咨詢應(yīng)用工程師。