Большинство операционных усилителей имеют входные и выходные диоды защиты от электростатических разрядов (ЭСР), показанные на Рисунке 1. Эти диоды предназначены для защиты от повреждения электростатическими разрядами во время тестирования устройства и сборки изделия.

Рисунок 1.	Операционные усилители имеют входные и выходные диоды защиты от электростатических разрядов.

ЭСР может привести к возникновению очень большого тока в диоде ЭСР-защиты, но только в течение наносекунд. И хотя ЭСР-диоды рассчитаны на то, чтобы выдерживать импульсы ЭСР, более длительные электрические перенапряжения потребуют дополнительных внешних компонентов. Большинство входных диодов защиты от ЭСР рассчитаны на непрерывный ток 10 мА, но при электрических перенапряжениях ток часто значительно превышает 10 мА.

Один из распространенных подходов, используемых для ограничения избыточного входного тока операционного усилителя, заключается в том, чтобы просто подключить токоограничивающий резистор на вход и ограничитель бросков напряжения (супрессор, TVS-диод) на каждую шину питания (Рисунок 2). Резистор ограничит входной ток, но часть избыточного напряжения все равно попадет на источник питания. TVS-диод защитит источник питания от бросков напряжения, проникающих через ЭСР-диоды.

Рисунок 2.	В показанной схеме защиты от электрических перегрузок используется прецизионный операционный усилитель OPA205.

TVS-диод нужен потому, что многие стабилизаторы напряжения не способны поглощать ток и не могут реагировать достаточно быстро, чтобы защитить источник питания. Сопротивление резистора, необходимого для защиты операционного усилителя, зависит от величины входного сигнала перегрузки. Большие сигналы перегрузки потребуют больших сопротивлений.

В примере на Рисунке 2 используется резистор 10 кОм для ограничения тока до безопасного уровня 3.13 мА при сигнале перегрузки 50 В. Использование схемы защиты на Рисунке 2 может быть очень эффективным, но имеет несколько ограничений.

Резистор внесет ошибку смещения по постоянному току из-за входного тока смещения I_B операционного усилителя. Эта ошибка будет добавляться непосредственно к входному напряжению смещения V_OS операционного усилителя и ограничивать точность схемы по постоянному току. Еще одним ограничением резистивной защиты входа является то, что резисторы генерируют тепловой шум. Плотность шума e_nRin рассчитывается по формуле (1) как

(1)

Затем следует сравнить этот шум с характеристикой спектральной плотности шума операционного усилителя, взятой из его технического описания.

В примере, показанном на Рисунке 2, входной шум, указанный в техническом описании, составляет 7.2 нВ/√Гц, а резистор производит 12.8 нВ/√Гц. Таким образом, общий шум enTotal будет определяться в первую очередь защитным резистором и будет намного выше, чем шум одного только операционного усилителя.

(2)

Схема защиты входа с помощью полевых транзисторов с p-n переходом (junction field-effect transistor, JFET), показанная на Рисунке 3, – это подход, позволяющий обеспечить надежную защиту входа при минимизации ошибок, обусловленных шумами базового тока I_B и резисторов. Схема с JFET имеет низкое сопротивление, когда через нее не протекает ток, но с увеличением тока сопротивление быстро возрастает.

Рисунок 3.	Схема защиты входа на JFET показана в условиях неисправности.

Таким образом, в нормальных рабочих условиях цепь JFET будет иметь низкое сопротивление и вносить минимальный шум и ошибку I_B. В случае неисправности сопротивление устройства JFET будет быстро увеличиваться, ограничивая ток и защищая схему. После устранения неисправности JFET вернется в свое нормальное состояние с низким сопротивлением.

Такую схему можно построить на дискретных JFET, но она также бывает встроена в некоторые усилители. В общем случае, если вы видите в техническом описании усилителя слова «защита входа от перегрузки по напряжению», это означает защиту входа с помощью JFET. Использование интегрированной защиты позволяет сэкономить площадь печатной платы, уменьшить трудозатраты на проектирование и в целом снизить общие расходы.

1. Datasheet Texas Instruments OPA205
2. Datasheet Texas Instruments OPA206