可编程逻辑控制器中的一个关键子系统是模拟输入模块，它提供了一个高精度前端来测量各种传感器。但是，在许多情况下，放大器输入级通过长电缆连接到远程传感器，并且容易受到过压条件的影响。在本文中，我将介绍运算放大器（op-amp）输入过压保护的基本概念，并讨论如何为过压故障选择正确的钳位保护电路。
输入模块中使用的运算放大器的数据表应提供有关电气过应力条件下绝对最大额定值的规范。电气过应力状况分为两类：静电放电（ESD）和输入电气过应力（EOS）。 ESD事件是两个人体在不同静电势下突然转移的静电荷。静电势通常可以相隔数千伏，并且电荷转移通常在几分之一秒内发生。相反，当电路在相当长的一段时间内暴露于过电压条件（例如由意外连接引起的故障）时，就会发生EOS事件。这些EOS额定值表示设备可以承受而不会损坏的最大电源电压，输入电压和输入电流。
通常，运算放大器具有内部ESD保护结构，旨在在制造和生产测试期间保护运算放大器。 ESD保护中使用的三种常见结构（如图1所示）是串联电阻器，转向二极管和吸收器件。转向二极管导通，将ESD脉冲从敏感电路元件引向吸收装置。吸收装置吸收ESD脉冲的能量并限制电压电平以防止损坏。
图1通常，运算放大器内部包含三个ESD保护结构。
运算放大器对EOS的最大额定值取决于内部ESD二极管可以承受的最大电压和连续电流。但是，这些结构并不是为了保护设备免受电路故障期间可能发生的更长的EOS事件影响。取而代之的是，可能需要外部电路钳位来保护运算放大器输入电路免受EOS事件的影响。肖特基二极管和串联电阻是帮助保护运算放大器输入免受过压故障的一种原因。
让我们考虑一下图2所示的±10V模拟输入模块电路。在该电路中，运算放大器缓冲器提供了高输入阻抗，可与各种传感器接口。 THP210全差分放大器（FDA）对缓冲的信号进行衰减和电平转换，以驱动模数转换器。 FDA是一款精密，低噪声，低漂移的放大器，配置为转折频率为100 kHz的二阶Butterworth低通滤波器。
图2该高阻抗±10V模拟输入模块的前端使用肖特基二极管和其他元件来保护运算放大器免受EOS事件的影响。
本示例中显示了两种类型的保护电路，其中的钳位电路旨在为±40 V连续过压故障提供输入保护。瞬态电压抑制（TVS）二极管用于钳位电源轨，吸收钳位电路电流，以使电源保持在运算放大器的±20V绝对电源额定值以下。 TVS二极管类似于齐纳二极管，但设计用于快速，大的瞬态功耗。所示的SMF12A是单向TVS，具有12 V的反向隔离电压，14.7 V的击穿电压和19.9 V的最大钳位电压。使用1.24-kΩ时，±40V故障期间的电流限制为20 mA。 ，1/2 W RLIMIT电阻，如图3所示。
运放输入中使用的肖特基二极管具有金属半导体结，其正向压降低于硅结二极管（例如，运放中用于ESD保护的二极管）。图3详细说明了外部保护钳位电路的此属性与那些内部ESD二极管一起工作的方式。
在此示例中，BAS40是小信号肖特基二极管，在1 mA时的正向电压接近380 mV。相比之下，内部ESD结构在相同的正向电流下具有约550 mV的正向电压。因此，肖特基二极管在放大器的内部ESD二极管之前导通，并且大多数涌入电流流过外部钳位电路。内部ESD结构只能承受10 mA的电流，而外部肖特基二极管可以处理高达200 mA的正向连续电流，从而提供强大的保护。
图3此常用的运算放大器输入保护肖特基二极管钳位在内部二极管之前导通，从而使大部分浪涌电流流过外部二极管。
尽管外部肖特基二极管钳位电路提供了强大的过压保护，但该钳位电路的缺点是会引入信号误差。在正常工作期间，反向偏置的肖特基二极管会显示反向漏电流，该电流会流过RLIMIT电阻，从而产生不希望的偏移。本示例中使用的BAS40提供200 nA的极低泄漏电流，从而使失调误差保持最小。您还可以选择减小RLIMIT电阻以最小化这些失调误差，但要权衡的是增加故障电流。故障电流的这种增加将需要一个额定功率更高的电阻。
但是，二极管泄漏电流可能会随着反向电压的变化而略有变化。因此，二极管之间反向漏电流的失配会引起小的非线性误差，这是输入电压的函数。此外，二极管的泄漏电流随温度呈指数增长。例如，这种肖特基二极管的典型泄漏电流在25?C时约为?20nA。但是，泄漏电流在85?C时可以增加到2?A，而在100?C以上时可以增加到10?A。
幸运的是，一些现代精密运算放大器提供了集成的输入过压保护，从而消除了对此类外部钳位电路的需求。图4显示了OPA2206的集成输入保护。它的输入受到保护，可承受超出任一电源的±40 V电压，如果电源关闭则可承受±40 V的电压。
图4该集成的运算放大器输入保护钳位会在输入过载时改变阻抗，在EOS期间提供保护，同时将正常操作期间的影响降至最低。
OPA2206的内部保护电路可在正常信号条件下提供低串联阻抗，从而保持所需的运算放大器精度。但是，如果输入过载，则保护电路会增加串联阻抗，并将输入电流限制为大约±5 mA。因此，集成的输入保护钳位使您能够通过可靠的保护获得准确的结果，同时降低成本并缩小解决方案尺寸。
过压保护是一个广泛的主题，显示的方法只是保护运算放大器输入的许多不同方式中的一些。有关更多信息，请查看TI Precision Labs –电气过应力视频系列。该系列详细介绍了EOS运算放大器保护以及如何为您的应用设计合适的钳位电路。