Analogtipp OTT Überspannungen in AFEs durch Over-the-Top-Verstärker umgehen

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Dass hohe Spannungen in einer Anwendung aufkommen können, ist stets ein Thema in Industrieapplikationen, ebenso die dafür notwendigen Schutztechniken. In diesem Analog-Tipp zeigen wir Ihnen, wie Sie mit Hilfe von Over-the-Top-Verstärkern (OTT) diese schützen können.

Eine große Herausforderung für das Design von Analogen Front Ends (AFE) und die darin enthaltenen Operationsverstärker sind Spannungen, die höher als die Systemspannung sind. Hier helfen externe Schutzbeschaltungen mit externen Dioden oder Widerständen.

Diese zusätzlichen Komponenten brauchen Platz auf der Leiterplatte und weisen Leckströme, parasitäre Kapazitäten und Rauschanteile auf. Aus diesem Grund hat Analog Devices als eine IC-interne Lösung die Over-the-Top-Technik (OTT) entwickelt. Die Funktionsweise der OTT-Verstärker soll anhand des Präzisionsoperationsverstärkers ADA4098-1 erläutert werden.

Bildergalerie

Wie funktioniert Over-the-Top?

OTT-Operationsverstärker haben zwei Eingangsstufen. Die Erste ist eine Common-Emitter Differential-Stufe, die aus PNP-Transistoren besteht, die eingangssignalseitig zwischen negativer Versorgung (–U_s) und um ca. 1,25 V verringerter positiver Versorgung (+U_s) arbeiten.

Die Zweite ist eine Common-Base-Eingangsstufe, die aus weiteren PNP-Transistoren besteht, die bei Eingangssignalen arbeiten, deren Gleichtaktspannung bei +U_s bis 1,25 V oder höher liegen.

Ein Beispiel der Schaltung ist in Bild 1 zu sehen. Die erste Stufe ist mit den Transistoren Q1 und Q2 aufgebaut, während die zweite Stufe die Transistoren Q3-zu-Q6 umfasst.

Diese Eingangsstufen führen damit zu zwei unterschiedlichen, aber komplementären Betriebsbereichen. Die Offset-Spannungen beider Eingangsstufen sind eng aufeinander abgestimmt und in den Datenblättern angegeben.

Wenn die Gleichtaktspannung der Eingänge nah an +U_s liegt, wird die zweite Stufe aktiviert und damit findet der Operationsverstärker sich im Over-the-Top- Betrieb. Das kann der Fall bei Überspannungen in verschiedenen Anwendungen sein. So können beispielsweise bei der High-Side-Strommessung die Spannungen das Potenzial der Systemversorgung durch parasitäre oder lastbedingte Effekte überschreiten, auch wenn diese temporär sind.

OTT-Verstärker tolerieren Eingangspannungen bis 80 V

Herkömmliche Verstärker erlauben Signalspannungen bis zum Versorgungspannungsbereich. Wenn die Eingänge diesen Bereich deutlich übersteigen, werden meist interne Dioden eingeschaltet damit elektrische Leistung darüber abfließt. Je nach Signalspannung und -strömen können solche Spitzen den Betrieb des Verstärkers unterbrechen oder zu einen Ausfall der integrierten Schaltung führen.

Im Gegensatz dazu tolerieren OTT-Verstärker differentielle Eingangsspannungen bis 80 V. In diesem Zustand wird der Ausgangpegel auf der positiven Versorgung (+U_s) gesättigt. Der Ausgang behält senkt oder liefert den Strom innerhalb der im Datenblatt angegebenen Grenzen.

Wenn die Eingänge wieder in den normalen Betriebsbereich kommen (d. h. –U_s zu +U_s), fällt der Ausgangpegel auch wieder in den üblichen linearen Bereich ohne Beschädigung oder Verschlechterung der Gleichstromgenauigkeit. Ähnliches ist der Fall für Gleichtaktspannungen bis 70 V.

OTT-Verstärker: Applikationsbeispiele

Ein Beispiel der Strommessung ist in den Bildern 2 und 3 zu sehen. Der ADA4098-1 ist die Low-Power Version des OTT-Präzisionsverstärkers, der ADA4099-1 kommt mit einer höheren Bandbreite und Spannungsanstiegsrate.

In der Low-Side Messung (Bild 2) kommt die Verstärkung durch die Widerstände R2 und R3. D1 verbessert die Genauigkeit bei einer unipolaren Versorgung und bei der kleinen Lastströme.

Bei der High-Side-Strommessung (Bild 3) bestimmen die Widerstände mit 1 kOhm und 0,1 Ohm den Verstärkungsgrad. Die Widerstände mit Toleranzen von 1 Prozent an den Eingängen des Verstärkers dienen unter anderem der Filterung. Die Eingangsbias-Ströme verursachen so einen minimalen Spannungsabfall.

Hinweise zum Betrieb mit OTT-Verstärkern

Der Ausgang schwingt ohne Last von Schiene zu Schiene innerhalb von 45 mV von beiden Versorgungen und liefert 24 mA. Der Verstärker ist intern kompensiert und treibt eine Last von min. 200 pF. Ein hinzugefügter Serienwiderstand von 50 Ω zwischen Ausgang und größeren kapazitiven Lasten erweitert die kapazitive Ansteuerung des Verstärkers.

Falls der Ausgang U_out eine Schaltung mit kleinerem Potenzial treibt und die nachfolgende Schaltung Schutzdioden zur eigenen Spannungsschienen hat, ist es sinnvoll, einen Widerstand an U_out zu platzieren. Damit werden mögliche Ströme in die nachfolgende Schaltung begrenzt.

Über den SHDN-Pin kann der Verstärker in einen sehr niedrigen Abschaltzustand versetzt werden, wenn der Pin als „High“ eingestuft wird. Ein logisches Hoch wird durch eine Spannung von ≥1,5 V gegenüber U_S-Pin definiert.

Alternativ kann der Verstärker durch Entfernen der positiven Versorgung in einen Zustand niedriger Leistung versetzt werden. In beiden Modi ist OTT noch aktiv und es können Spannungen bis 70 V über –U_s auf den Eingang-Pins anliegen.

Neben Strom- oder Power-Messungen können Sie OTT-Verstärker bei Sensor Front Ends oder 4-zu-20mA-Stromschleifen einsetzen. Das Datenblatt bietet ausführliche Informationen.

Fazit: Dank der präzisen internen Schaltung sind Over-the-Top-Verstärker gleichzeitig robust und genau. Mit der fünften Generation der OTT-Operationsverstärker wie dem ADA4098-1 und ADA4099-1 sind noch höhere Spannungsfestigkeiten, niedrigere Offset-Fehler oder geringeres Rauschen möglich.

* Hakan Unlue ist Senior Field Applications Engineer bei Analog Devices in Stuttgart.

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