Die Suche nach Möglichkeiten zum Schutz industrieller Anwendungen vor hohen Spannungen ist nach wie vor eine wichtige Aufgabe für Entwickler. In diesem Artikel von Hakan Uenlue von Analog Devices finden Sie einen Design-Tipp, der veranschaulicht, wie Entwickler einen Überspannungsschutz durch den Einsatz von Over-The-Top® (OTT) Verstärkern erreichen können.
Selbst bei industriellen Anwendungen treten manchmal Spannungen auf, die höher sind als die Netzspannung. Obwohl die Potenziale hier nicht so hoch sind wie z. B. in der Automobilelektronik, können sie oft höher sein als die üblichen Systemspannungen. Einige der Systemspannungen können sogar für viele OP-Amps zu hoch sein. Dies stellt eine große Herausforderung für analoge Frontends (AFEs) dar. Höhere Spannungen können z. B. die internen Eingangsdioden eines typischen Verstärkers zum Leiten bringen. Je länger dieser Zustand anhält, desto wahrscheinlicher ist es, dass es zu einer Störung oder gar zu einem Ausfall kommt. Die Entwickler können durch externe Schutzschaltungen, z. B. mit externen Dioden oder Widerständen, entsprechende Vorkehrungen treffen. Diese zusätzlichen Bauteile benötigen jedoch Platz auf der Platine und haben Nachteile wie Leckströme, zusätzliche Kapazitäten und Rauschen. Aus diesem Grund ist eine integrierte IC-Lösung mit Over-The-Top-Technologie die erste Wahl.
Wie funktioniert Over-The-Top?
Für eine vereinfachte Erklärung kann das Innenleben des ADA4098-1 oder ADA4099-1 der neuesten Generation betrachtet werden. Diese OTT-OP-Amps haben jeweils zwei Eingangsstufen. Bei der ersten handelt es sich um eine Common-Emitter-Differenzialstufe, die aus PNP-Transistoren besteht und für Eingangssignale zwischen der negativen Versorgungsspannung (–VS) und bis zu etwa 1,25 V weniger als die positive Versorgungsspannung arbeitet (+VS). Die zweite ist eine Eingangsstufe mit gemeinsamer Basis, die aus weiteren PNP-Transistoren besteht, die für Eingangssignale mit einer Gleichtaktspannung von +VS – 1,25 V oder höher arbeiten. Ein Beispiel für die interne Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die erste Stufe ist mit den Transistoren Q1 und Q2 aufgebaut, während die zweite Stufe die Transistoren Q3 bis Q6 enthält.
Abbildung 1. Eine vereinfachte Darstellung der internen Struktur (übernommen aus ADA4098-1 als neueste Generation)
Diese Eingangsstufen führen also zu zwei unterschiedlichen, aber komplementären Betriebsbereichen. Die Offset-Spannungen der beiden Eingangsstufen sind eng getrimmt und in den Datenblättern angegeben.
Wenn sich die Gleichtaktspannung der Eingänge +VS nähert, wird die zweite Stufe aktiviert und der OP-Amp befindet sich dann im Over-The-Top-Modus. Dies kann ein Fall von Überspannung in verschiedenen Anwendungen sein. Beispielsweise können bei der High-Side-Strommessung die Spannungen aufgrund von parasitären oder lastbedingten Effekten, wenn auch nur vorübergehend, das Versorgungspotential des Systems überschreiten. Typische Verstärker erlauben Signalspannungen bis zum Versorgungsspannungsbereich. Wenn die Eingänge diesen Bereich weit überschreiten, werden in der Regel interne Dioden eingeschaltet, durch die ein beträchtlicher elektrischer Strom fließt. Je nach Signalspannung und Stromstärke können diese Spitzen den Betrieb des Verstärkers unterbrechen oder im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des integrierten Schaltkreises führen.
Im Gegensatz zu typischen OP-Amps, bei denen solche Probleme auftreten, können Verstärker mit OTT differentielle Eingangsspannungen von bis zu 80 V vertragen. In diesem Zustand ist der Ausgangspegel an der positiven Versorgung gesättigt (+VS). Der Ausgang ist in diesem Zustand weiterhin in der Lage, Strom innerhalb der im Datenblatt angegebenen Grenzwerte aufzunehmen oder abzugeben. Sobald die Eingänge wieder in den normalen Betriebsbereich zurückkehren (–VS bis +VS), kehrt auch der Ausgangspegel in den üblichen linearen Bereich zurück, ohne dass die Gleichstromgenauigkeit beschädigt wird oder sich verschlechtert. Ähnlich verhält es sich bei Gleichtaktspannungen bis zu 70 V.
Anwendungsbeispiele und Tipps für Verstärker mit OTT-Technologie
Einige Beispiele für Strommessungen sind in Abbildung 2 zu sehen. Der ADA4098-1 ist die stromsparende Version, während der ADA4099-1 eine höhere Bandbreite und eine höhere Spannungsanstiegsrate aufweist.
Abbildung 2. Beispiele für Strommessungen mit dem ADA4098-1
Bei der Low-Side-Messung kommt die Verstärkung von den Widerständen R2 und R3. Die Diode D1 verbessert die Genauigkeit der Einspeisung bei niedrigen Lastströmen.
Bei der High-Side-Strommessung sind die Widerstände 1 kΩ und 100 Ω (oben) entscheidend für die Verstärkung. Die Widerstände an den Verstärkereingängen dienen u. a. der Filterung. In diesem Fall wäre ein 1-%-Widerstand optimal. Die möglichen Eingangsvorspannungsströme führen zu einem Spannungsabfall durch diese Widerstände, und enge Toleranzen wie 1 % tragen dazu bei, die Spannungsabfallbereiche hier zu minimieren.
Der Ausgang des ADA4098-1 kann ohne Last zwischen den Versorgungsspannungsanschlüssen innerhalb von 45 mV von beiden Versorgungen schwingen. Der Ausgang kann 24 mA liefern und 35 mA abgeben. Der Verstärker ist intern kompensiert und kann eine Lastkapazität von 200 pF (min) treiben. Ein 50 Ω Vorwiderstand kann zwischen den Ausgang und höhere kapazitive Lasten geschaltet werden, um die kapazitive Lasttreibereigenschaft des Verstärkers zu erweitern.
Wenn der Ausgang VOUT eine Schaltung mit niedrigerem Potenzial ansteuert und diese nachgeschaltete Schaltung über Schutzdioden für ihre eigenen Spannungsschienen verfügt, wäre es sinnvoll, einen Widerstand an VOUT anzubringen. Dadurch würden die möglichen Ströme, die in den nachgeschalteten Stromkreis fließen, begrenzt.
Der ADA4098-1 verfügt über einen speziellen SHDN-Pin, der den Verstärker in einen sehr niedrigen Shutdown-Zustand versetzt, wenn dieser Pin als High (hoch) bestätigt wird. Ein logisches Hoch ist definiert durch eine Spannung von ≥1,5 V, die am SHDN-Pin in Bezug auf den –VS-Pin anliegt. Der VOUT-Pin befindet sich dann in einem hochohmigen Zustand. Als alternative Methode kann der Verstärker durch das Entfernen der positiven Versorgungsspannung in einen Zustand niedriger Leistung versetzt werden. In beiden Ausschaltmodi ist OTT immer noch aktiv und es können Spannungen von bis zu 70 V über –VS an die Eingangs-Pins angelegt werden.
Neben Strom- oder Leistungsmessungen kann der OTT-Verstärker auch für Sensor-Frontends oder 4-mA- bis 20-mA-Stromschleifen verwendet werden. Detaillierte Informationen, weitere Anwendungsbeispiele und Berechnungen finden Sie im Datenblatt.
Fazit
Dieser Artikel hat gezeigt, wie Over-The-Top-Verstärker einen Schutz vor Überspannung bieten können. Dank der intelligenten und präzisen internen Schaltung bieten die Over-The-Top-Verstärker gleichzeitig Robustheit und Genauigkeit.
Die OTT-Verstärker der fünften Generation von Analog Devices bringen den neuesten Überspannungsschutz aus dem Labor in Ihr Schaltungsdesign. OTT-OP-Amps wie der ADA4098-1 und der ADA4099-1 bieten höhere Spannungstoleranzen jenseits der Schienen und erreichen gleichzeitig niedrigere Offsetfehler und Rauschwerte.