【導讀】盡管ESD二極管旨在承受ESD脈沖，但持續時間更長的電壓事件將需要其他外部組件。大多數輸入ESD保護二極管的設計旨在承受10 mA的連續電流，但是電氣過力故障通常會導致電流超出10 ma極限。
盡管ESD二極管旨在承受ESD脈沖，但持續時間更長的電壓事件將需要其他外部組件。大多數輸入ESD保護二極管的設計旨在承受10 mA的連續電流，但是電氣過力故障通常會導致電流超出10 ma極限。
圖1 OP放大器具有輸入和輸出ESD保護二極管。資料來源：德州儀器
一種用于限制Op-Amp輸入過度電流的常見方法是，在每個電源上只添加輸入電流電阻器和瞬態電壓抑制器（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向電源。 TVS二極管將保護電源免受通過ESD二極管引導的過量電壓。
您需要電視二極管，因為許多電壓調節器沒有沉沒電流的能力，也不能足夠快地響應以保護供應。保護OP放大所需的電阻值取決于輸入上過度信號的大小。大型的信號將需要大的電阻。
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。使用圖2中的保護方案可能非常有效，但確實有一些限制。
圖2上面顯示的電氣過力（EOS）保護方案使用OPA205精密操作放大器。資料來源：德州儀器
由于運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確性。電阻輸入保護的另一個局限性是電阻會產生熱噪聲。公式1計算噪聲密度為：
e nrin =√4xkx t x r在 （1）中
然后，您應該將此噪聲與運算放大器噪聲頻譜密度規范進行比較。
在圖2所示的示例中，輸入噪聲規范為7.2 NV/√Hz，電阻器生成12.8 NV/√Hz。因此，整體噪聲將由保護電阻主導，并且將比單獨的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中所示的連接場效應晶體管（JFET）輸入保護方案是一種實現可靠的輸入保護的方法，同時地減少了I B和電阻器噪聲的錯誤。當沒有電流流過它時，JFET電路具有低電阻，但是當電流流過它時，電阻會迅速增加。
圖3 JFET輸入保護顯示了在故障條件下的電路操作。資料來源：德州儀器
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，并且I B錯誤。在斷層條件下，JFET設備將迅速增加，這將限制電流并保護電路。當故障刪除時，JFET將返回其正常的低阻抗狀態。
您可以使用離散JFET構建此類JFET電路，但也集成到某些放大器中。通常，當您在放大器數據表中看到一詞“輸入 - 反電壓保護”時，保護是JFET輸入保護。使用集成保護可以節省PCB區域，節省設計工作，并通常降低總體成本。
JFET基本面的評論
為了了解JFET保護，讓我們回顧一些JFET基本面。該ARICE將重點放在P通道JFET設備上，但是相同的方法適用于具有極性逆轉的N通道設備。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以耗竭模式運行。柵極到源交界處是反向偏置的，這會產生限制通道電流（I D）的耗盡區域。增加反向偏置電壓將增加耗竭區域，從而增加通道電阻。當V gs = 0 V的耗盡區域時，電阻會發生，如圖4所示。
圖4這里是電阻區與耗竭區域之間的比較。資料來源：德州儀器
調整V DS也會影響耗竭區域。對于較低的V DS，該通道的作用像電阻，晶體管據說在其歐姆地區或三極區域。在歐姆地區，V ds的增加將導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（請參見圖5的左側）。
對于較高的V DS，通道擠出了，晶體管據說位于飽和區域。在飽和區域中，通過晶體管的電流相對恒定，對于各種排水到源電壓（請參見圖5的右側）。
圖5請參見P通道JFET特征曲線突出顯示歐姆和飽和區域。資料來源：德州儀器
如前所述，對于JFET，閘門源交界處通常是反向偏置的。當向前偏見時，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，避免前進的操作模式，但是在輸入保護電路的情況下，其中一個晶體管將在有超強信號的情況下變得前進
JFET保護電路的操作
圖3中的JFET輸入保護顯示了在故障條件下的電路操作。此示例將+50 V輸入故障應用于具有±18 V電源的OP放大器。晶體管T1充當前向偏置二極管，T2在飽和區域充當JFET，V GS = 0V。
假設保護電路中的晶體管使用圖5所示的IV曲線，當V GS = 0 V和V DS > –1.5 V（飽和區域）時，I D限制為約2.25 mA 。因此，JFET電路可保護OP放大器免受損壞，因為它將輸入電流限制為小于10 ma電流規范。將V GS = 0 V的電流流定義為I DSS，因此IDSS <10 mA是運算放大輸入保護所必需的。
–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將在飽和區域。在斷層條件下，JFET將充當電流電阻，其中電阻增加了較大的斷層電壓并保持恒定電流<10 mA。
在正常運行期間，兩個JFET晶體管將位于歐姆區域，并且電阻相對較低。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歐姆區的電阻。
對于圖5中指定的晶體管，歐姆區電阻約為500Ω（r ds = 1 v/2 mA =500Ω）。相反，在圖3所示的斷層條件下，JFET位于飽和區域，其電阻約為13.7kΩ。
重要的一點是，在正常工作條件下，JFET電阻很小。因此，熱噪聲將很低（對于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，因為放大器不正常起作用，并且電阻只需要保護OP放大器免受損壞即可。
為離散保護電路選擇JFET
一些OP放大器（例如OPA206）將JFET保護電路納入設備中。如果放大器不包括JFET，則可能需要構建自己的保護電路。如果關注熱噪聲或偏置引起的偏移，則可能需要使用JFET保護電路。如果噪聲和I B錯誤不是問題，則可以簡單地使用大型輸入電阻器，如圖2所示。
假設您需要JFET輸入保護，則應確認的排水 - 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，因此您必須確認的正向門電流小于I dss（I GF）。dss
確保不要超過的排水 - 門和源對門電壓。，用V GS = 0 V計算歐姆區電阻，以確認從誤差的角度可以接受在非衰竭條件下的電阻。
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