Überspannungsschutz von präzisen Verstärkereingängen

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Analog Devices

Präzisionsverstärker mit integriertem Schutz

Mit dem ADA4177 bietet Analog Devices eine integrierte Lösung für diese Anforderungen. Dieser vom ADA4077 abgeleitete Präzisionsverstärker enthält neben integrierten Filtern gegen elektromagnetische Störungen ebenso eine Überspannungsschutzbeschaltung, welche in Form von in Serie zu den Schutzdioden verbauten Verarmungs-FETs realisiert ist.

Sie bieten den erforderlichen dynamischen Widerstand, indem im Überspannungsfall ihr Drain-Source-Widerstand (R_DSON) drastisch ansteigt und den Stromfluss exponentiell zur Überspannung begrenzt (siehe Bild 4).

Die anstelle von Eingangswiderständen eingesetzten Verarmungs-FETs haben im Gegensatz zur Spannungsbegrenzungs-Schaltung im spezifizierten Betriebsbereich nahezu keinerlei Auswirkung bezüglich der Offsetspannung, da sie in diesem Fall niederohmig und somit leitend sind.

Der ADA4177 widersteht Spannungen von bis zu 32 V über der Versorgungsspannung und begrenzt die Ströme im Überspannungsfall ohne jegliche externe Schutzbeschaltung auf typischerweise 10 bis 12 mA. Die Offsetspannung verhält sich dabei über den kompletten spezifizierten Versorgungsspannungsbereich nahezu konstant und beträgt selbst bei 125 °C maximal 40 µV.

Systemeigenschaften

Beim Design von Verstärkerschaltungen kommt unter anderem auch der Gleichtaktunterdrückung (engl. Common-Mode Rejection Ratio, CMRR) eine wesentliche Rolle zu. Sie gibt an, wie sehr die Ausgangsspannung des Verstärkers bei sich im Gleichtakt ändernden Eingangsspannung beeinflusst wird.

Im Idealfall sollte sich hierbei keine Änderung einstellen, was jedoch in der Realität kaum möglich ist. Die Gleichtaktunterdrückung wird in dB angegeben und berechnet sich wie folgt:

Um eine möglichst hohe Gleichtaktunterdrückung zu erhalten, sollte die Höhe der Offsetspannung sehr gering ausfallen, wie aus der Gleichung hervorgeht. Der ADA4177 ist mit einer minimalen Gleichtaktunterdrückung von 125 dB über den kompletten Temperaturbereich spezifiziert, was einen äußerst guten Wert darstellt. Auch im Vergleich zum ADA4077 mit externen Schutzdioden bietet der ADA4177 eine höhere Gleichtaktunterdrückung (Tabelle) und ist damit weitaus besser geeignet für hochpräzise Messungen.

Ist kein Überspannungsschutz erforderlich, stellt jedoch der ADA4077 aufgrund seiner internen Struktur und seiner geringeren Offsetwerte an den Eingängen die bessere Alternative dar. So beträgt beispielsweise die Offsetspannung V_OS des ADA4077 im Vergleich 20% weniger als die des ADA4177. Auch der temperaturabhängige Drift der Offsetspannung ist beim ADA4077 deutlich geringer als beim ADA4177.

Literaturhinweise:

[1] Arkin, Michael and Eric Modica. „Robust Amplifiers Provide Integrated Overvoltage Protection.” Analog Dialogue, Volume 46, Number 1, 2012.

[2] Burton, Daniel. „Op Amp Input Overvoltage Protection: Clamping vs. Integrated.” Analog Dialogue, Volume 50, 2016.

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* Thomas Brand ist Field Applications Engineer / Strategic Accounts bei Analog Devices in München.

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