操作AMP输入保护可能带来很多信号噪声

大多数操作放大器(OP放大器)具有输入和输出静电放电(ESD)保护二极管，如图1所示。这些二极管设计用于在设备测试和产品组装过程中保护ESD损伤。

ESD事件可以将非常高的电流驱动到ESD二极管中，但仅用于纳秒。尽管ESD二极管旨在承受ESD脉冲，但持续时间更长的电压事件将需要其他外部组件。大多数输入ESD保护二极管的设计旨在承受10 mA的连续电流，但是电气过力故障通常会导致电流超出10 ma极限。

图1 OP放大器具有输入和输出ESD保护二极管。

一种用于限制Op-Amp输入过度电流的常见方法是，在每个电源上只添加输入电流电阻器和瞬态电压抑制器(TVS)二极管(图2)。电阻器将限制输入电流，但某些过电压仍将导向电源。 TVS二极管将保护电源免受通过ESD二极管引导的过量电压。

您需要电视二极管，因为许多电压调节器没有沉没电流的能力，也不能足够快地响应以保护供应。保护OP放大所需的电阻值取决于输入上过度信号的大小。大型的信号将需要大的电阻。

图2中的示例使用10-kΩ电阻器将电流限制为3.13 mA的安全水平，用于50 V超重信号。使用图2中的保护方案可能非常有效，但确实有一些限制。

图2上面显示的电气过力(EOS)保护方案使用OPA205精密操作放大器。

由于运算放大输入偏置电流(I B)，电阻将引入DC偏移误差。此误差将直接添加到OP放大器的输入偏移电压(V OS)，并限制电路的直流准确性。电阻输入保护的另一个局限性是电阻会产生热噪声。公式1计算噪声密度为：

e nrin =√4xkx t x r在 (1)中

然后，您应该将此噪声与运算放大器噪声频谱密度规范进行比较。

在图2所示的示例中，输入噪声规范为7.2 NV/√Hz，电阻器生成12.8 NV/√Hz。因此，整体噪声将由保护电阻主导，并且将比单独的OP放大器的噪声高得多。

Entotal√ (7.2 NV/√Hz)2 +(12.8 NV/√Hz)2 = 14.7 NV/√Hz(2 )

图3中所示的连接场效应晶体管(JFET)输入保护方案是一种实现可靠的输入保护的方法，同时最大程度地减少了I B和电阻器噪声的错误。当没有电流流过它时，JFET电路具有低电阻，但是当电流流过它时，电阻会迅速增加。

图3 JFET输入保护显示了在故障条件下的电路操作。

因此，在正常工作条件下，JFET电路具有较低的电阻，并增加噪声最小，并且I B错误。在断层条件下，JFET设备将迅速增加，这将限制电流并保护电路。当故障删除时，JFET将返回其正常的低阻抗状态。

您可以使用离散JFET构建此类JFET电路，但也集成到某些放大器中。通常，当您在放大器数据表中看到一词“输入 - 反电压保护”时，保护是JFET输入保护。使用集成保护可以节省PCB区域，节省设计工作，并通常降低总体成本。

JFET基本面的评论

为了了解JFET保护，让我们回顾一些JFET基本面。该ARICE将重点放在P通道JFET设备上，但是相同的方法适用于具有极性逆转的N通道设备。您可以将JFET晶体管视为电压控制的电阻，其中通道电阻由电压栅极到源(V GS)和电压漏极到源(V DS)控制。

重要的是要了解JFET以耗竭模式运行。栅极到源交界处是反向偏置的，这会产生限制通道电流(I D)的耗尽区域。增加反向偏置电压将增加耗竭区域，从而增加通道电阻。当V gs = 0 V的耗尽区域时，最低电阻会发生，如图4所示。

图4这里是电阻区与耗竭区域之间的比较。

调整V DS也会影响耗竭区域。对于较低的V DS，该通道的作用像电阻，晶体管据说在其欧姆地区或三极区域。在欧姆地区，V ds的增加将导致排水电流的比例增加(i d )，就像您在电阻器上看到的那样(请参见图5的左侧)。

对于较高的V DS，通道挤出了，晶体管据说位于饱和区域。在饱和区域中，通过晶体管的电流相对恒定，对于各种排水到源电压(请参见图5的右侧)。

图5请参见P通道JFET特征曲线突出显示欧姆和饱和区域。

如前所述，对于JFET，闸门源交界处通常是反向偏置的。当向前偏见时，JFET将不再像晶体管一样起作用，并且图5中的曲线不再适用。在这种情况下，JFET将充当正常的PN连接二极管，正向电压下降约为0.6 V，电流受外部组件的限制。

通常，最好避免前进的操作模式，但是在输入保护电路的情况下，其中一个晶体管将在有超强信号的情况下变得前进

JFET保护电路的操作

图3中的JFET输入保护显示了在故障条件下的电路操作。此示例将+50 V输入故障应用于具有±18 V电源的OP放大器。晶体管T1充当前向偏置二极管，T2在饱和区域充当JFET，V GS = 0V。

假设保护电路中的晶体管使用图5所示的IV曲线，当V GS = 0 V和V DS > –1.5 V(饱和区域)时，I D限制为约2.25 mA 。因此，JFET电路可保护OP放大器免受损坏，因为它将输入电流限制为小于10 ma绝对最大电流规范。将V GS = 0 V的电流流定义为I DSS，因此IDSS <10 mA是运算放大输入保护所必需的。

–50V输入故障将具有相同的效果，但T2将是前向偏置二极管，而T1将在饱和区域。在断层条件下，JFET将充当电流电阻，其中电阻增加了较大的断层电压并保持恒定电流<10 mA。

在正常运行期间，两个JFET晶体管将位于欧姆区域，并且电阻相对较低。此外，在正常操作期间，通过JFET的电流流将是Op-Amp输入偏置电流(范围通常为femtotemperes to nanoAmperes)。您可以通过查看具有V GS = 0 V的I D曲线的斜率来以图形方式估计欧姆区的电阻。

对于图5中指定的晶体管，欧姆区电阻约为500Ω(r ds = 1 v/2 mA =500Ω)。相反，在图3所示的断层条件下，JFET位于饱和区域，其电阻约为13.7kΩ。

重要的一点是，在正常工作条件下，JFET电阻很小。因此，热噪声将很低(对于500Ω)。在断层条件下，电阻很高，但是在这种情况下，热噪声并不重要，因为放大器不正常起作用，并且电阻只需要保护OP放大器免受损坏即可。

为离散保护电路选择JFET

一些OP放大器(例如OPA206)将JFET保护电路纳入设备中。如果放大器不包括JFET，则可能需要构建自己的保护电路。如果关注热噪声或偏置引起的偏移，则可能需要使用JFET保护电路。如果噪声和I B错误不是问题，则可以简单地使用大型输入电阻器，如图2所示。

假设您需要JFET输入保护，则应确认最大的排水 - 源饱和电流(I DSS)<10 mA，以使JFET在故障条件下足够限制输入电流。另外，由于两个JFET晶体管之一将具有向前偏置的闸门交界处，因此您必须确认绝对最大的正向门电流小于I dss

确保不要超过绝对的最大排水 - 门和源对门电压。最后，用V GS = 0 V计算欧姆区电阻，以确认从误差的角度可以接受在非衰竭条件下的电阻。

成本和规格影响

要了解带有和没有集成JFET保护电路的OP放大器之间的额外成本和规范差异，让我们将OPA205芯片与OPA206芯片进行比较。两种设备都使用完全相同的OP放大器，但是OPA206包含了其他JFET保护。在审查这两种设备的规格时，主要区别在于输入噪声和电气过度应力规格。

OPA205的噪声为V n = 7.2 NV/√Hz，OPA206的噪声为V n = 8 NV/√Hz。噪声有些降解，但大大低于大型电流电阻器所引入的噪声。保护电路允许OPA206绝对最大额定值超出供应轨，但OPA205仅允许在没有外部保护的情况下超出供应栏。 OPA206的价格比OPA205高约0.07美元，以占其他电路。

要离散地实现JFET电路，您需要购买两个JFET晶体管。通常，这将是两个SOT-23设备，它们将消耗与OP放大器本身相同的PCB区域。此外，这两个设备的成本可能会超过集成解决方案中额外保护的成本。

因此，通常，最好在没有集成解决方案的情况下选择Intectated选项，选择离散的JFET保护，并且从噪声角度来看，简单的电阻解决方案是不可接受的。

将OP放大器与集成的JFET输入保护使用

在现代模拟系统中，对操作AMP故障保护的要求已经非常普遍。但是，这些系统也经常需要低噪声和高直流精度，而简单的电阻输入保护使得达到了这一目标具有挑战性。使用外部JFET保护是获得两全其美的好方法。

但是，外部保护增加了成本和PCB区域。最好的解决方案是使用具有集成JFET输入保护的放大器，因为这将保护输入，保持良好的性能，增加最低成本并最大程度地减少PCB区域。