介紹

在工業(yè)應(yīng)用中，發(fā)生高電壓的可能性是一個持續(xù)關(guān)注的問題。找到提供保護的方法一直是并將繼續(xù)是開發(fā)人員的一項重要任務(wù)。此設(shè)計技巧說明了開發(fā)人員如何利用過頂 （OTT） 放大器來實現(xiàn)此目的。

即使是工業(yè)應(yīng)用，有時也會遇到高于系統(tǒng)電源的電壓。雖然這里的電位不像汽車電子那樣高，但它們通常高于通常的系統(tǒng)電壓。對于許多運算放大器來說，某些系統(tǒng)電壓甚至可能過高。這給模擬前端（AFE）帶來了巨大的挑戰(zhàn)。例如，較高的電壓會使典型放大器的內(nèi)部輸入二極管導(dǎo)通。這種狀態(tài)存在的時間越長，發(fā)生故障甚至故障的可能性就越大。開發(fā)人員可以使用外部保護電路（例如外部二極管或電阻器）采取相應(yīng)的預(yù)防措施。然而，這些額外的元件需要電路板上的空間，并且具有漏電流、額外電容和噪聲等缺點。因此，采用 Over-The-Top 技術(shù)的集成 IC 解決方案是首選。

OTT如何工作？

為了簡化說明，可以考慮最新一代ADA4098-1或ADA4099-1的內(nèi)部。這些 OTT 運算放大器每個都有兩個輸入級。第一個是共發(fā)射極差分級，由PNP晶體管組成，用于負電源（–V）之間的輸入信號S），最高電壓比正電源低約 1.25 V（+VS).第二個是共基極輸入級，由其他PNP晶體管組成，用于共模電壓為+V的輸入信號S– 1.25 V 或更高。內(nèi)部電路示例如圖1所示。第一級設(shè)計有晶體管Q1和Q2，而第二級設(shè)計有晶體管Q3至Q6。

圖1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化表示（取自最新一代ADA4098-1）。

因此，這些輸入級導(dǎo)致兩個不同但互補的工作范圍。兩個輸入級的失調(diào)電壓經(jīng)過嚴格調(diào)整，并在數(shù)據(jù)手冊中給出。

當輸入的共模電壓接近+V時S，第二級被激活，然后運算放大器處于過頂模式。這可能是各種應(yīng)用中的過壓情況。例如，對于高端電流測量，由于寄生效應(yīng)或負載相關(guān)效應(yīng)，電壓可能會超過系統(tǒng)電源電位，即使是暫時的。典型放大器允許信號電壓高達電源電壓范圍。如果輸入遠遠超過此范圍，內(nèi)部二極管通常會導(dǎo)通，并且有大量電流流過它們。根據(jù)信號電壓和電流，這些尖峰可能會中斷放大器的運行，甚至在最壞的情況下會導(dǎo)致集成電路失效。

與遇到此類問題的典型運算放大器不同，具有OTT的放大器可以承受高達80 V的差分輸入電壓。在這種狀態(tài)下，輸出電平飽和至正電源（+VS).在此狀態(tài)下，輸出保持其吸收或提供數(shù)據(jù)手冊限值內(nèi)的電流的能力。一旦輸入恢復(fù)到正常工作范圍（–VS至 +VS），輸出電平也將恢復(fù)到通常的線性范圍，而不會損壞或降低直流精度。對于高達70 V的共模電壓，情況類似。

采用OTT技術(shù)的放大器的應(yīng)用示例和技巧

一些電流測量示例可在圖2中找到。ADA4098-1是低功耗版本，而ADA4099-1具有更高的帶寬和更高的電壓上升速率。

圖2.使用ADA4098-1的電流測量示例

在低端測量中，增益來自電阻R2和R3。二極管 D1 提高了低負載電流下的單電源精度。

在高端電流測量中，1 kΩ和100 Ω（頂部）電阻對增益起決定性作用。放大器輸入端的電阻提供濾波等功能。在這種情況下，1%的電阻是最佳的。可能的輸入偏置電流會導(dǎo)致通過這些電阻的壓降，而諸如1%的緊密容差將有助于最小化此處的壓降范圍。

ADA4098-1的輸出在兩個電源電壓的45 mV范圍內(nèi)，在軌與軌之間空載擺幅。輸出可提供24 mA電流和35 mA灌電流。該放大器具有內(nèi)部補償功能，可驅(qū)動 200 pF（最小值）的負載電容?？梢栽谳敵龊透呷菪载撦d之間插入一個 50 Ω 串聯(lián)電阻，以擴展放大器的容性負載驅(qū)動能力。

如果輸出 V外驅(qū)動具有較低電位的電路，并且該下游電路具有用于其自身電壓軌的保護二極管，因此將電阻放置在V處是有意義的外.這將限制流向下游電路的可能電流。

ADA4098-1具有專用SHDN引腳，當該引腳置位為高電平時，可將放大器置于極低關(guān)斷狀態(tài)。邏輯高電平由施加到SHDN引腳的≥1.5 V電壓（相對于–V）定義S針。五世外引腳則處于高阻抗狀態(tài)。作為一種替代方法，可以通過移除正電源有效地將放大器置于低功耗狀態(tài)。在這兩種關(guān)斷模式下，OTT 仍處于活動狀態(tài)，電壓高達 70 V 至 –VS可應(yīng)用于輸入引腳。

除電流或功率測量外，OTT放大器的其他用途是傳感器前端或4 mA至20 mA電流環(huán)路。詳細信息、更多應(yīng)用示例和計算可在數(shù)據(jù)手冊中找到。

結(jié)論

本文演示了過頂放大器如何提供過壓保護。由于智能和精確的內(nèi)部電路，Over-The-Top放大器同時提供穩(wěn)健性和準確性。

ADI公司的第五代OTT放大器為您的電路設(shè)計提供實驗室中最新的過壓保護。OTT運算放大器（如ADA4098-1和ADA4099-1）可提供超出供電軌的更高電壓容差，同時實現(xiàn)更低的失調(diào)誤差和噪聲值。

審核編輯：郭婷