高灵敏度运算放大器应用中的过压保护(OVP)

概述

　　对于要求过压保护和低失真，低噪声，高带宽的放大器应用，必须特别注意过压保护(OVP)的设计。导致过压可能是人为的错误，例如把放大器的输入端对高压电源短路，也可能是应用中固有的错误，例如变送器通常输出的电压要高于放大器的电源电压。

　　很多放大器过压保护的方法是使用二极管旁路过压电流对地或者对电源。这些二极管的电容和泄漏电流会导致失真和带宽降低。本文会回顾反向偏置二极管的基础知识，讨论几种保护策略，提供几种方案降低泄漏电流和电容。运算放大器用来说明保护方法，还有很多方法对分离放大器很适用。

　　反向偏置二极管基础

　　二极管公式如式1所示，有人可能认为反向偏置二极管吸收反向电流IR等于IS：
二极管公式如式1所示，有人可能认为反向偏置二极管吸收反向电流IR等于IS：

　　然而，事实是反向电流远远高于IS ，而且随着温度和反向偏置电压而变化。IR正比于PN结中电荷层的间隔，因为电荷层的间隔与所加的反向电压有关，因此IR可以由式2表示：

　　对于不同的制造商，n的变化可以从2到4，通常可以从二极管的说明书中得到IR与VR的关系曲线。

　　一条被广泛接受的规律是温度增加10°C时PN结的反向电流加倍。从这条规律和一个参考点，我们可以建立式3说明反向电流和温度的关系：

　　I0是温度T0时的反向电流。通常可以从二极管的说明书中得到IR与T的关系曲线。

　　低于内建电位(硅管大约为0.7V)时二极管的电容由式4表达：

　　　　Cj0是0V时PN结的电容，Φ0是嵌入电压，M是等级系数，它是P材料和N材料的比值。公式4中对于反向偏置电压VR是负电压，对于正向偏置电压VR 是正电压。该公式对于反向偏置电容是一个很好的模型，对于达到嵌入电压的一半的正向偏置电容也是一个很好的模型。通常可以从二极管的说明书中得到CR与VR的关系曲线。

　　基本的二极管保护

　　很多IC 都有内部的静态放电(ESD)保护。很多内部ESD保护电路的嵌位二极管连接到电源，所以它旁路ESD尖峰到电源。如果电流通过串联电阻限制，可以说这些二极管足够处理过压保护了；但是，每一个IC具有不同的情况，ESD保护结构也不同。

　　最好从外部在电源端加钳位二极管，以减少或消除流入IC的过压电流(图1)。

　　图1. 基本的二极管保护电路，利用电源端的外部钳位二极管旁路电源的ESD冲击。

　　图1中的二极管保护方法是将放大器的输入电压钳位到VCC + VFBD和VEE - VFBD，VFBD是二极管的正向电压。过压电流由RLIMIT限制，如式5所示:

　　其中VSUPPLY是VEE或者VCC。 这种保护方法也适用反相运算放大器结构， RLIMIT也是增益设置电阻。

　　普通硅二极管的正向电压与内部ESD二极管的很接近，也就是说出现过压时，内部和外部二极管共同分担过压电流。因为我们不知道两种二极管的正向电压是否匹配，我们可以假设所有的过压电流都通过了内部的ESD二极管。业界广泛接受的方式是设定RLIMIT使电流不超过5mA 。

　　肖特基二极管具有更低的正向电压(0.3V)，经常用这种保护结构来旁路故障电流。但是，最低泄漏电流的肖特基二极管的泄漏电流要比最低泄漏电流的硅二极管大几个量级。对于输入电流为纳安或者更低的应用，肖特基二极管的泄漏电流不能容忍。另外，肖特基二极管的正向电压很容易随着温度和正向偏置电流增加到0.7V，很通用的1N5711肖特极二极管的正向电压在室温和15mA偏置电流时为1V。

　　当放大器的输入偏置电流很小时，保护二极管的反向偏置漏电流就变得很重要。理论上，所有保护二极管的泄漏电流是相等的，而且不会引入偏差。但是，实际应用中的二极管很难达到完全匹配，而且泄漏电流会随着输入电压和温度而变化，这些都会引入偏移误差和非线性。经验证明，最大反向泄漏电流要比放大器的输入偏置电流小10倍。

　　保护二极管的反向偏置电容，CR，也是需要考虑的很重要的设计标准。每个二极管都会有这个电容，与 RLIMIT相结合，会形成低通滤波器，其截止频率可通过式6计算：

　　因为CR是电压的函数，所以输入电压摆幅较大时会引起明显的非线性。

　　保护电路的恢复时间也许是另一个重要的设计标准。当二极管是正向偏置时，电荷储存在PN结的损耗区。为了关断二极管，必须把电荷从损耗区清除。高速开关二极管制造商通常会给出反向恢复时间trr，但是低泄漏二极管制造商通常不会给出这个指标。如果没有给出，我们可以测量得到这个指标。

　　很多IC公司提供封装的二极管阵列，这些IC具有很好的反向泄漏电流和电容指标。例如MAX3202E ESD 保护二极管阵列仅有1nA (最大值)的漏电流，每个通道仅有5pF的电容。如果需要更低的反向泄漏电流，可连接2N3904系列的二极管。Vishay提供的PAD1二极管具有更低的反向泄漏电流和电容：1pA (最大值)和0.8pF (最大值)。