Schaltungsschutz Überspannungsschutz von präzisen Verstärkereingängen

Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

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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Die Eingänge des Präzisionsverstärkers ADA4177 sind zuverlässig gegen elektromagnetische Störungen und Überspannung geschützt.
Die Eingänge des Präzisionsverstärkers ADA4177 sind zuverlässig gegen elektromagnetische Störungen und Überspannung geschützt.
(Bild: Analog Devices)

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.

Überspannungsschutz mit Spannungsbegrenzung

Eine sehr gängige Methode zum Schutz der Halbleitereingänge vor kurzzeitigen Überspannungen stellt eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung dar („Clamping“), wie sie in Bild 1 zu sehen ist. Hierbei wird beispielhaft als Halbleiterbauelement der Präzisionsverstärker ADA4077 aus dem Hause Analog Devices eingesetzt. Dieser überzeugt durch seine exzellenten Offset- als auch Driftwerte innerhalb eines spezifizierten Versorgungsspannungsbereichs von bis zu 30 V (±15 V) und eignet sich daher besonders für hoch­genaue Messungen.

Infolge der Spannungsbegrenzung wird in diesem Beispiel das Eingangssignal VIN durch die beiden Schutzdioden DOVPP und DOVPN gegen die jeweilige Versorgung VSUPPLY-POS bzw. VSUPPLY-NEG geklemmt, sobald die Amplitude des Signals die Versorgungsspannung zuzüglich der Durchlassspannung der Schutzdiode übersteigt(VIN≥VSUPPLY+VF). In diesem Fall wird die Schutzdiode leitend und führt die Überströme an die jeweilige Versorgung ab. Ohne die Schutzdioden würden die hohen Ströme in den Verstärker selbst fließen und ihn möglicherweise beschädigen, da die internen ESD-Schutzdioden nicht in der Lage sind, derartig hohe Ströme zu tragen.

Die externen Schutz- Dioden werden typischerweise als Schottky-Dioden ausgeführt. Diese haben den entscheidenden Vorteil, dass sie zum einen extrem schnelle Schaltzeiten, zum anderen geringere Durchlassspannungen gegenüber anderen Diodentypen aufweisen. In Bild 1 werden Schottky-Dioden vom Typ 1N5177 mit einer Durchlassspannung von etwa 0,4 V verwendet.

Die Durchlassspannung der Schottky-Dioden ist im Vergleich zu den internen ESD-Schutzdioden geringer und entlastet diese somit. Um auch die Schutzdioden nicht zu überstrapazieren, sorgt der Vorwiderstand ROVP für eine zusätzliche Begrenzung des Überstromes.

Aufgrund von Ruhe- bzw. Leckströme am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers, die wiederum zu Spannungsfehlern über ROVP führen können, ist ein Widerstand RFB in der Rückführschleife zu integrieren. Dieser kompensiert den hervorgerufenen Spannungsfehler, indem er dem invertierenden Eingang ein identisches Potenzial zuführt.

Spannungsbegrenzung oder hochpräzise Messungen?

Die oben genannte Methode zur Spannungsbegrenzung ist zwar relativ einfach und günstig zu realisieren, hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Für hochpräzise Messungen sind möglichst Verstärker mit einer sehr geringen Offsetspannung im µV-Bereich einzusetzen, da ansonsten das Messsignal zu sehr verfälscht würde. Genau dieses Problem wird durch die äußeren Schutzdioden und den Schutzwiderstand verstärkt.

Sie rufen signifikante Fehler in Form einer zusätzlichen Offsetspannung im Signalpfad hervor, die um ein vielfaches größer ist als die Offsetspannung des Verstärkers selbst. Dies ist für hochpräzise Messungen nicht zu tolerieren und macht die externe Schutzbeschaltung für derartige Anwendungen unbrauchbar.

Die Tatsache des zusätzlichen Offsetfehlers ist unter anderem den Sperrströmen der Schutzdioden geschuldet.

Befindet sich VIN genau in der Mitte der beiden Versorgungsspannungen VSUPPLY-POS und VSUPPLY-NEG, besitzen die beiden Sperrströme der Dioden den gleichen Wert. Weicht VCM jedoch vom Mittelpunkt ab, divergieren auch die beiden Sperrströme voneinander. Sie können im Bereich von mehreren hundert Nanoampere liegen und verursachen über den Schutzwiderstand ROVP einen weiteren Spannungsabfall, der nun wie eine zusätzliche Offsetspannung an den Verstärkereingängen wirkt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Sperrströme ein exponentielles Temperaturverhalten aufweisen.

Die Veranschaulichung der Problematik findet in den nebenstehenden beiden Bildern statt.

Bild 2 zeigt die Offsetspannung des ADA4077 ohne zusätzliche Schutzbeschaltung an den Eingängen, gemessen jeweils bei drei verschiedenen Umgebungstemperaturen (25 °C, 85 °C und 125 °C) über einen Versorgungsspannungsbereich von –13 bis +13 V. Sehr gut ist hier zu erkennen, dass sich die Offsetspannungen nahezu konstant verhalten.

Zum Vergleich wird in Bild 3 die Offsetspannung des ADA4077 mit zusätzlicher Schutzbeschaltung dargestellt. Bereits bei 25 °C wird ein deutlich höherer Offsetwert gemessen, welcher sich bei 125 °C extrem steigert. Eine präzise Messschaltung mit externen Schutzdioden ist somit nicht umsetzbar.

Zwar trägt der Widerstand ROVP grundsätzlich zum Schutz der Dioden vor Überspannungsereignissen bei, sorgt jedoch aufgrund der bereits erwähnten Problematik im Normalbetrieb für eine zusätzliche Offsetkomponente. Wünschenswert wäre hier ein dynamischer Eingangswiderstand, der innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs der Verstärkerschaltung sehr gering ausfällt, im Überspannungsfall jedoch möglichst hochohmig wird.

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 (RDSON) 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:

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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 VOS 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.

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

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