大多數(shù)操作放大器(OP放大器)具有輸入和輸出靜電放電(ESD)保護(hù)二極管，如圖1所示。這些二極管設(shè)計(jì)用于在設(shè)備測(cè)試和產(chǎn)品組裝過程中保護(hù)ESD損傷。

ESD事件可以將非常高的電流驅(qū)動(dòng)到ESD二極管中，但僅用于納秒。盡管ESD二極管旨在承受ESD脈沖，但持續(xù)時(shí)間更長的電壓事件將需要其他外部組件。大多數(shù)輸入ESD保護(hù)二極管的設(shè)計(jì)旨在承受10 mA的連續(xù)電流，但是電氣過力故障通常會(huì)導(dǎo)致電流超出10 ma極限。

圖1 OP放大器具有輸入和輸出ESD保護(hù)二極管。

一種用于限制Op-Amp輸入過度電流的常見方法是，在每個(gè)電源上只添加輸入電流電阻器和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管(圖2)。電阻器將限制輸入電流，但某些過電壓仍將導(dǎo)向電源。 TVS二極管將保護(hù)電源免受通過ESD二極管引導(dǎo)的過量電壓。

您需要電視二極管，因?yàn)樵S多電壓調(diào)節(jié)器沒有沉沒電流的能力，也不能足夠快地響應(yīng)以保護(hù)供應(yīng)。保護(hù)OP放大所需的電阻值取決于輸入上過度信號(hào)的大小。大型的信號(hào)將需要大的電阻。

圖2中的示例使用10-kΩ電阻器將電流限制為3.13 mA的安全水平，用于50 V超重信號(hào)。使用圖2中的保護(hù)方案可能非常有效，但確實(shí)有一些限制。

圖2上面顯示的電氣過力(EOS)保護(hù)方案使用OPA205精密操作放大器。

由于運(yùn)算放大輸入偏置電流(I B)，電阻將引入DC偏移誤差。此誤差將直接添加到OP放大器的輸入偏移電壓(V OS)，并限制電路的直流準(zhǔn)確性。電阻輸入保護(hù)的另一個(gè)局限性是電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。公式1計(jì)算噪聲密度為：

e nrin =√4xkx t x r在 (1)中

然后，您應(yīng)該將此噪聲與運(yùn)算放大器噪聲頻譜密度規(guī)范進(jìn)行比較。

在圖2所示的示例中，輸入噪聲規(guī)范為7.2 NV/√Hz，電阻器生成12.8 NV/√Hz。因此，整體噪聲將由保護(hù)電阻主導(dǎo)，并且將比單獨(dú)的OP放大器的噪聲高得多。

Entotal√ (7.2 NV/√Hz)2 +(12.8 NV/√Hz)2 = 14.7 NV/√Hz(2 )

圖3中所示的連接場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)輸入保護(hù)方案是一種實(shí)現(xiàn)可靠的輸入保護(hù)的方法，同時(shí)最大程度地減少了I B和電阻器噪聲的錯(cuò)誤。當(dāng)沒有電流流過它時(shí)，JFET電路具有低電阻，但是當(dāng)電流流過它時(shí)，電阻會(huì)迅速增加。

圖3 JFET輸入保護(hù)顯示了在故障條件下的電路操作。

因此，在正常工作條件下，JFET電路具有較低的電阻，并增加噪聲最小，并且I B錯(cuò)誤。在斷層條件下，JFET設(shè)備將迅速增加，這將限制電流并保護(hù)電路。當(dāng)故障刪除時(shí)，JFET將返回其正常的低阻抗?fàn)顟B(tài)。

您可以使用離散JFET構(gòu)建此類JFET電路，但也集成到某些放大器中。通常，當(dāng)您在放大器數(shù)據(jù)表中看到一詞“輸入 - 反電壓保護(hù)”時(shí)，保護(hù)是JFET輸入保護(hù)。使用集成保護(hù)可以節(jié)省PCB區(qū)域，節(jié)省設(shè)計(jì)工作，并通常降低總體成本。

JFET基本面的評(píng)論

為了了解JFET保護(hù)，讓我們回顧一些JFET基本面。該ARICE將重點(diǎn)放在P通道JFET設(shè)備上，但是相同的方法適用于具有極性逆轉(zhuǎn)的N通道設(shè)備。您可以將JFET晶體管視為電壓控制的電阻，其中通道電阻由電壓柵極到源(V GS)和電壓漏極到源(V DS)控制。

重要的是要了解JFET以耗竭模式運(yùn)行。柵極到源交界處是反向偏置的，這會(huì)產(chǎn)生限制通道電流(I D)的耗盡區(qū)域。增加反向偏置電壓將增加耗竭區(qū)域，從而增加通道電阻。當(dāng)V gs = 0 V的耗盡區(qū)域時(shí)，最低電阻會(huì)發(fā)生，如圖4所示。

圖4這里是電阻區(qū)與耗竭區(qū)域之間的比較。

調(diào)整V DS也會(huì)影響耗竭區(qū)域。對(duì)于較低的V DS，該通道的作用像電阻，晶體管據(jù)說在其歐姆地區(qū)或三極區(qū)域。在歐姆地區(qū)，V ds的增加將導(dǎo)致排水電流的比例增加(i d )，就像您在電阻器上看到的那樣(請(qǐng)參見圖5的左側(cè))。

對(duì)于較高的V DS，通道擠出了，晶體管據(jù)說位于飽和區(qū)域。在飽和區(qū)域中，通過晶體管的電流相對(duì)恒定，對(duì)于各種排水到源電壓(請(qǐng)參見圖5的右側(cè))。

圖5請(qǐng)參見P通道JFET特征曲線突出顯示歐姆和飽和區(qū)域。

如前所述，對(duì)于JFET，閘門源交界處通常是反向偏置的。當(dāng)向前偏見時(shí)，JFET將不再像晶體管一樣起作用，并且圖5中的曲線不再適用。在這種情況下，JFET將充當(dāng)正常的PN連接二極管，正向電壓下降約為0.6 V，電流受外部組件的限制。

通常，最好避免前進(jìn)的操作模式，但是在輸入保護(hù)電路的情況下，其中一個(gè)晶體管將在有超強(qiáng)信號(hào)的情況下變得前進(jìn)

JFET保護(hù)電路的操作

圖3中的JFET輸入保護(hù)顯示了在故障條件下的電路操作。此示例將+50 V輸入故障應(yīng)用于具有±18 V電源的OP放大器。晶體管T1充當(dāng)前向偏置二極管，T2在飽和區(qū)域充當(dāng)JFET，V GS = 0V。

假設(shè)保護(hù)電路中的晶體管使用圖5所示的IV曲線，當(dāng)V GS = 0 V和V DS > –1.5 V(飽和區(qū)域)時(shí)，I D限制為約2.25 mA 。因此，JFET電路可保護(hù)OP放大器免受損壞，因?yàn)樗鼘⑤斎腚娏飨拗茷樾∮?0 ma絕對(duì)最大電流規(guī)范。將V GS = 0 V的電流流定義為I DSS，因此IDSS <10 mA是運(yùn)算放大輸入保護(hù)所必需的。

–50V輸入故障將具有相同的效果，但T2將是前向偏置二極管，而T1將在飽和區(qū)域。在斷層條件下，JFET將充當(dāng)電流電阻，其中電阻增加了較大的斷層電壓并保持恒定電流<10 mA。

在正常運(yùn)行期間，兩個(gè)JFET晶體管將位于歐姆區(qū)域，并且電阻相對(duì)較低。此外，在正常操作期間，通過JFET的電流流將是Op-Amp輸入偏置電流(范圍通常為femtotemperes to nanoAmperes)。您可以通過查看具有V GS = 0 V的I D曲線的斜率來以圖形方式估計(jì)歐姆區(qū)的電阻。

對(duì)于圖5中指定的晶體管，歐姆區(qū)電阻約為500Ω(r ds = 1 v/2 mA =500Ω)。相反，在圖3所示的斷層條件下，JFET位于飽和區(qū)域，其電阻約為13.7kΩ。

重要的一點(diǎn)是，在正常工作條件下，JFET電阻很小。因此，熱噪聲將很低(對(duì)于500Ω)。在斷層條件下，電阻很高，但是在這種情況下，熱噪聲并不重要，因?yàn)榉糯笃鞑徽Ｆ鹱饔?，并且電阻只需要保護(hù)OP放大器免受損壞即可。

為離散保護(hù)電路選擇JFET

一些OP放大器(例如OPA206)將JFET保護(hù)電路納入設(shè)備中。如果放大器不包括JFET，則可能需要構(gòu)建自己的保護(hù)電路。如果關(guān)注熱噪聲或偏置引起的偏移，則可能需要使用JFET保護(hù)電路。如果噪聲和I B錯(cuò)誤不是問題，則可以簡單地使用大型輸入電阻器，如圖2所示。

假設(shè)您需要JFET輸入保護(hù)，則應(yīng)確認(rèn)最大的排水 - 源飽和電流(I DSS)<10 mA，以使JFET在故障條件下足夠限制輸入電流。另外，由于兩個(gè)JFET晶體管之一將具有向前偏置的閘門交界處，因此您必須確認(rèn)絕對(duì)最大的正向門電流小于I dss

確保不要超過絕對(duì)的最大排水 - 門和源對(duì)門電壓。最后，用V GS = 0 V計(jì)算歐姆區(qū)電阻，以確認(rèn)從誤差的角度可以接受在非衰竭條件下的電阻。

成本和規(guī)格影響

要了解帶有和沒有集成JFET保護(hù)電路的OP放大器之間的額外成本和規(guī)范差異，讓我們將OPA205芯片與OPA206芯片進(jìn)行比較。兩種設(shè)備都使用完全相同的OP放大器，但是OPA206包含了其他JFET保護(hù)。在審查這兩種設(shè)備的規(guī)格時(shí)，主要區(qū)別在于輸入噪聲和電氣過度應(yīng)力規(guī)格。

OPA205的噪聲為V n = 7.2 NV/√Hz，OPA206的噪聲為V n = 8 NV/√Hz。噪聲有些降解，但大大低于大型電流電阻器所引入的噪聲。保護(hù)電路允許OPA206絕對(duì)最大額定值超出供應(yīng)軌，但OPA205僅允許在沒有外部保護(hù)的情況下超出供應(yīng)欄。 OPA206的價(jià)格比OPA205高約0.07美元，以占其他電路。

要離散地實(shí)現(xiàn)JFET電路，您需要購買兩個(gè)JFET晶體管。通常，這將是兩個(gè)SOT-23設(shè)備，它們將消耗與OP放大器本身相同的PCB區(qū)域。此外，這兩個(gè)設(shè)備的成本可能會(huì)超過集成解決方案中額外保護(hù)的成本。

因此，通常，最好在沒有集成解決方案的情況下選擇Intectated選項(xiàng)，選擇離散的JFET保護(hù)，并且從噪聲角度來看，簡單的電阻解決方案是不可接受的。

將OP放大器與集成的JFET輸入保護(hù)使用

在現(xiàn)代模擬系統(tǒng)中，對(duì)操作AMP故障保護(hù)的要求已經(jīng)非常普遍。但是，這些系統(tǒng)也經(jīng)常需要低噪聲和高直流精度，而簡單的電阻輸入保護(hù)使得達(dá)到了這一目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性。使用外部JFET保護(hù)是獲得兩全其美的好方法。

但是，外部保護(hù)增加了成本和PCB區(qū)域。最好的解決方案是使用具有集成JFET輸入保護(hù)的放大器，因?yàn)檫@將保護(hù)輸入，保持良好的性能，增加最低成本并最大程度地減少PCB區(qū)域。