Schaltungsschutz Überspannungsschutz von präzisen Verstärkereingängen

Eingänge von Präzisionsverstärkern sind empfindlich gegen Überspannungen. In diesem Beitrag beschreiben wir verschiedene Schutzmethoden sowie eine bereits integrierte Lösung zum Schutz der Bauteile.

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In Zeiten von schnelllebigen Märkten, Smart Factories und Industrie 4.0 werden an zu entwickelnde Produkte hohe Anforderungen gestellt. Sie müssen intelligent, wandelbar, nachhaltig, langlebig und vor allem effizient sein. Um gerade letzteres zu erreichen, sind nicht nur komplexe Softwarelösungen nötig.

Auch die Anforderungen an Hardwarekomponenten und Halbleiterelemente wie Operationsverstärker steigen dadurch enorm, denn sie sind für die Aufbereitung der Signale aus der physikalischen Welt verantwortlich. Für die Effizienz der kompletten Anwendung spielt unter anderem die Präzision dieser Signalaufbereitung eine entscheidende Rolle. Nur durch hochpräzise Signalverarbeitung erreichen die jeweiligen Endprodukte die bestmöglichen Genauigkeitsklassen.

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Da Halbleiterelemente in den verschiedensten Applikationen und Einsatzgebieten zur Anwendung kommen, müssen sie oftmals auch harten äußeren Bedingungen trotzen. So ist es nicht unüblich, dass kurzzeitige, hohe Überspannungen auf den Signalleitungen eingekoppelt werden, hervorgerufen beispielsweise durch externe Störfelder, durch Kurzschlüsse auf den Messleitungen oder auch durch falsches Anschließen der Messleitungen.

Ferner können auch beim Einschalten der gesamten Applikation Spannungen außerhalb der spezifizierten Bereiche auftreten, da infolge des Spannungshochlaufs oftmals bereits einige Volt auf den Signalleitungen und demnach an den Eingängen der Bauteile anliegen, noch ehe die Versorgung derer (vollständig) aufgebaut ist.

Diese kritischen Zustände gilt es zu unbedingt zu vermeiden, denn sie können trotz intern bestehender Schutzbeschaltung zur Beschädigung der Halbleiter führen. Steigen die Potenziale an den Eingängen eines Operationsverstärkers demnach in zu hohem Maße über die Werte der anliegenden Versorgungsspannung, so wirkt die interne ESD-Schutzdiode zwischen Eingang und Versorgung, indem sie leitend wird und die entstehenden Überströme an die jeweilige Versorgung abführt.

Das Problem hierbei besteht jedoch darin, dass die aufkommenden Ströme proportional mit den hohen Spannungen ansteigen und im schlimmsten Fall nicht von den ESD-Schutzdioden getragen werden können. Folglich wird der Operationsverstärker beschädigt. Die Beschädigungen können sich in Form von sogenannten Latch-up Effekten zeigen, d.h. der Baustein lässt sich nicht mehr ansprechen und muss zurückgesetzt werden.

Aber auch Abweichungen der elektrischen Eigenschaften gegenüber den spezifizierten Datenblattwerten, dauerhafte Fehlfunktionen der Bauteile oder im Extremfall die Zerstörung des Bauteils können entsprechende Auswirkungen von Überspannungen sein. Viele Entwickler sind sich dieser Problematik bewusst und designen entsprechende externe Schutzbeschaltungen an den Eingängen der Halbleiterbauelemente ein. Diese Schutzbeschaltungen bringen jedoch neue Herausforderung mit sich, denn sie beeinflussen unerwünschter Weise auch die Messsignale, deren Präzision nach wie vor erforderlich ist.

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