【導讀】電子全產(chǎn)業(yè)鏈正經(jīng)歷新一輪的重塑和變革，智能化全面深入，供應鏈彈性成為制勝關(guān)鍵。全球紛爭的局面之下，國內對于以半導體為代表的科技產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度和支持度空前，國產(chǎn)替代和供應鏈安全成為長(cháng)期話(huà)題，對于上游的電子元器件和物料的國產(chǎn)替代需求也同樣越來(lái)越高。
即使是工業(yè)應用，有時(shí)也會(huì )遇到高于系統電源的電壓。其電位盡管不如汽車(chē)電子等應用那么高，但常常高于通常的系統電壓。對于許多運算放大器來(lái)說(shuō)，某些系統電壓甚至可能過(guò)高。這給模擬前端(AFE)帶來(lái)了巨大挑戰。例如，較高的電壓會(huì )使典型放大器的內部輸入二極管導通。這種狀態(tài)存在的時(shí)間越長(cháng)，發(fā)生故障甚至失效的可能性就越大。開(kāi)發(fā)人員可以采取相應的預防措施，例如，使用額外的二極管或電阻的外部保護電路。然而，這些額外的元件會(huì )占用電路板上的空間，并且存在漏電流、增加輸入電容和噪聲等缺點(diǎn)。因此，采用Over-The-Top技術(shù)的集成IC解決方案是非常好的選擇。
Over-The-Top的工作原理
為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，可以看看最新一代 ADA4098-1 或 ADA4099-1 的內部結構。這些OTT運算放大器各有兩個(gè)輸入級。第一級是共發(fā)射極差分放大級，由PNP晶體管組成，適用于負電源(–VS)至比正電源(+VS)低約1.25 V的輸入信號。第二級是由更多PNP晶體管組成共基極輸入級，適用于輸入信號的共模電壓從+VS – 1.25 V開(kāi)始或更高。內部電路的示例如圖1所示。第一級使用晶體管Q1和Q2來(lái)設計，而第二級使用晶體管Q3至Q6來(lái)設計。
圖1. 內部結構的簡(jiǎn)化表示（取自最新一代的ADA4098-1）。
因此，這些輸入級提供兩個(gè)不同但互補的工作范圍。兩個(gè)輸入級的失調電壓經(jīng)過(guò)嚴格調整，并已在數據手冊中給出。
當輸入的共模電壓接近+VS時(shí)，第二級被激活，運算放大器隨即處于Over-The-Top模式。這可能是各種應用中的過(guò)壓情況。例如，對于高端電流測量，由于寄生效應或負載相關(guān)效應，輸入電壓可能瞬時(shí)會(huì )超過(guò)系統電源電位。典型放大器允許輸入信號的電壓最高達到電源電壓軌。如果輸入遠超過(guò)此范圍，內部二極管通常會(huì )導通，大量電流會(huì )流過(guò)其中。根據信號電壓和電流，這些尖峰可能會(huì )瞬間中斷放大器的運行，在最壞的情況下甚至會(huì )導致集成電路失效。
與典型運算放大器不同，當發(fā)生此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，OTT放大器可以承受高達80 V的差動(dòng)輸入電壓。在這種狀態(tài)下，輸出電平飽和至正電源電壓(+VS)。輸出在此狀態(tài)下仍有能力灌入或輸出數據手冊?xún)葮朔Q(chēng)的極限電流。一旦輸入回到正常工作范圍（–VS至+VS），輸出電平也會(huì )回到正常的線(xiàn)性范圍，而不會(huì )損害或降低直流精度。對于高達70 V的共模電壓，情況類(lèi)似。
采用OTT技術(shù)的放大器的應用示例和技巧
圖2提供了一些電流測量示例。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. 采用ADA4098-1的電流測量示例。
在低邊測量中，增益來(lái)自電阻R2和R3。二極管D1可改善低負載電流下的單電源系統的測量精度。
在高邊電流測量中，1 kΩ Vout端接地的電阻和100 Ω（頂部連接）運放同相端的電阻對增益起決定作用（0.1Ω與100Ω分流比例決定增益，1k電阻則將電流轉換為電壓）。放大器輸入端的電阻提供濾波等功能。在這種情況下，1%精度電阻將是比較好的選擇。運放的輸入偏置電流可能會(huì )影響通過(guò)這些電阻的壓降，而1%之類(lèi)的小容差將有助于最大程度地減小此處的壓降范圍。
ADA4098-1的輸出在空載情況下具有軌到軌擺幅（兩個(gè)電源軌分別減去45 mV的范圍內）。輸出可以提供24 mA的源電流和35 mA的阱電流。該放大器具有內部補償機制，可以驅動(dòng)200 pF（最小值）的負載電容。在輸出端和較高容性負載之間可以插入一個(gè)50 Ω串聯(lián)電阻，以擴展放大器的容性負載驅動(dòng)能力。
如果輸出VOUT驅動(dòng)一個(gè)電位較低的電路，并且該負載電路擁有自身電壓軌的保護二極管，則在VOUT處放置一個(gè)電阻是有意義的。這將限制可能流向負載電路的電流。
ADA4098-1有一個(gè)專(zhuān)用的SHDN引腳，當該引腳置為高電平時(shí)，放大器將被置于功耗非常低的關(guān)斷狀態(tài)。邏輯高電平定義為參考–VS電位，施加到SHDN引腳的電壓≥1.5 V加–VS。VOUT引腳隨后處于高阻態(tài)。有一種替代方法，通過(guò)移除正電源可以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(dòng)狀態(tài)，可以將比–VS最高超過(guò)70 V的電壓施加到輸入引腳。
除了電流或功率測量之外，OTT放大器的其他用途有用于傳感器前端或4 mA至20 mA電流環(huán)。詳細信息、更多應用示例和計算可在數據手冊中找到。
結論
本文說(shuō)明了Over-The-Top放大器如何提供過(guò)壓保護。憑借智能精密的內部電路，Over-The-Top放大器同時(shí)提供魯棒性和準確性。
ADI的第五代OTT放大器讓最新過(guò)壓保護技術(shù)從實(shí)驗室走向實(shí)際的電路設計。ADA4098-1和ADA4099-1等OTT運算放大器不僅能承受遠高于電源軌的電壓，而且實(shí)現了更低的失調誤差和噪聲值。
（來(lái)源：亞德諾半導體）
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