Schaltungsschutz

Überspannungsschutz von präzisen Verstärkereingängen

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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.

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