高灵敏度运算放大器应用中的过压保护(OVP)

　　二极管对地保护

　　旁路过压电流意味着电源必须吸收电流。很多电源不能吸收电流，如果电源总的负载比故障电流大很多或者电源具有过压保护，也是可以接受的。否则，电源电压将会上升，从而引起器件损坏。

　　齐纳二极管作为过压保护器利用限流电阻将故障电流旁路到地(图2)。注意，当齐纳电压低于电源电压时保护才会起作用。

图2. 该OVP电路利用齐纳二极管将过压电流旁路到地

　　过压电流受RLIMIT限制，由式7确定：

　　VFBZ是齐纳二极管的正向压降，VRBZ是齐纳二极管的反向压降，它们都与温度和偏置电流有关。它们的和必须小于电源电压，这样放大器内部的ESD二极管才不会导通。

　　通常齐纳二极管的反向漏电流要大于硅二极管，反向电流会随着电压接近击穿电压而迅速增大，有时我们把I-V曲线看作"膝形"曲线。如果输入信号摆幅很大，就会引入非线性。齐纳二极管的电容也随着电压而变化，而且要比硅二极管大。

　　可以并联齐纳二极管以及串联硅二极管来改善带宽和漏电流等特性(图3)，过压电流受RLIMIT限制，由式8确定：

　　图3. 改善带宽和漏电流特性的齐纳二极管保护电路，并联齐纳二极管，并增添了串联硅二极管

　　这样，输入信号源的总电容降为2 x CR。漏电流也降为硅二极管的水平。注意，这一保护结构也适合反相放大器。

　　差分二极管保护

　　保持漏电流和电容恒定的最好方法是保持保护二极管的电压为0V。差分二极管保护电路在放大器的正常工作模式下保持0V的偏置(图4)。出现过压时，二极管将故障电流旁路到地。

　　图4. 为确保固定的漏电流和电容，图中的两个电路利用差分二极管结构保证在正常工作模式下保护二极管两端的电压为0V

　　对于反相结构的运算放大器，过压电流受RLIMIT限制，由式9确定：

　　对于同相结构的运算放大器，过压电流受RLIMIT限制，由式10确定：

　　信号保护集成电路

　　信号保护IC提供过压检测电路以及 MOSFET开关(图5)。

　　图5. 信号保护器，如MAX4505，由过压检测电路和MOSFET开关组成，出现故障时，输入端开路

　　当输入信号在电源电压范围内，信号保护器 如同一个串联电阻，出现过压时，信号保护器 如同开路。

　　使用信号保护器有几个好处。第一，漏电流很小，能够满足多数应用的要求，例如：MAX4505在25°C时最大漏电流为±500pA；第二，输入电压和内部无源器件的寄生漏电流和电容没有很强的依赖关系；第三，没有电源时，信号保护器 能够承受±40V的输入电压，输出为0V，而且不会产生任何损坏。

　　不幸的是对某些应用来说其恢复时间太慢，另外，对成本要求苛刻时，应该使用分立器件。

　　噪声考虑

　　放大器的偏置电流包含噪声，当电流噪声流过电阻时会产生电压噪声。另外，电阻也会产生热噪声 ，其中，K是波尔兹曼系数， T是Kelvin温度，B是带宽， R是电阻。运算放大器电路的所有噪声由式11给出：

　　Rp和Rn是运算放大器正极输入端和负极输入端的电阻，Rn通常等于并联后的增益设置电阻(RF//RI)。 Vp和Vn是运算放大器同相输入端和反相输入端的电压噪声，Ip和In是运算放大器同相输入端和反相输入端的电流噪声。式11给出了RLIMIT通过Rp或Rn对系统噪声的影响(与配置有关)。如果使用齐纳管进行保护，请确认将齐纳管的噪声添加到方程中。