Amplificadores Protección de entrada... ¿Amigo o enemigo?

Muchas de las operaciones de alta velocidad actuales tienen protección de entrada en el chip. En la mayoría de los casos esta protección es transparente para el usuario, pero en algunas aplicaciones puede ser el talón de Aquiles del circuito. En este artículo se analiza la necesidad de protección de ingreso, cómo implementarla y los posibles inconvenientes. También presenta alternativas y soluciones de circuitos que utilizan amplificadores con protección de entrada.

Se pueden encontrar diferentes tipos de protección de entrada en los amplificadores de alta velocidad: la protección contra sobrevoltaje de modo común, la protección contra descarga electrostática (ESD) y la protección de par diferencial de entrada se encuentran entre los más comunes. La protección contra sobrevoltaje de modo común limita principalmente el voltaje de entrada para que sea compatible con el rango de funcionamiento seguro del amplificador. Los diodos ESD protegen el amplificador contra la electricidad estática, la inducción electrostática y otros eventos de ESD. Estos diodos en chip están conectados desde las entradas y salidas del amplificador operacional a los rieles de alimentación. Esto protege el amplificador, ya que las corrientes ESD se envían a las fuentes de alimentación y los condensadores de derivación, en lugar de a través de los circuitos activos sensibles.

Los cambios repentinos de voltaje en la entrada del amplificador operacional pueden revertir la polarización del par diferencial de entrada, causando fallas latentes, un aumento en la corriente de polarización de entrada y un aumento en el voltaje de compensación. La etapa diferencial de entrada está protegida contra daños al limitar el voltaje a través de las uniones base-emisor. En algunos procesos de silicio de mayor velocidad, el voltaje de ruptura de velocidad base (BV_EBO) para ser tan bajo como 2 a 3 voltios. El voltaje de ruptura es inversamente proporcional a la velocidad del proceso, por lo que cuanto más rápido sea el proceso, menor será el voltaje de ruptura. Para una operación confiable, es esencial evitar la polarización inversa de las uniones de velocidad base del par diferencial.

Es más probable que el amplificador dañe la etapa de entrada cuando se configura como un seguidor de voltaje. Las salidas de los amplificadores reales (no ideales) no pueden responder inmediatamente a un cambio en la entrada. La incapacidad de la salida para seguir a la entrada significa que las uniones de distancia base del par diferencial pueden estar sujetas a una condición de sobrevoltaje de polarización inversa potencialmente dañina. La Figura 1 ilustra este principio. La entrada del amplificador está conectada a un generador de pulsos con una oscilación de salida de ±3 V. Para esta discusión, se supone que los tiempos de subida y bajada del generador de pulsos son mucho más cortos que el retardo de propagación del amplificador. Cuando el generador pasa de –3 V a +3 V, la entrada al amplificador cambia muy rápidamente, pero la salida no, y se desarrolla una polarización inversa de 5,3 V en Q2. Con transistores que tienen un BV nominal_EBO de 2 a 3 voltios, se requiere claramente una protección de irrupción.

Esta protección puede ser tan simple como un par de diodos inversos (D1 y D2) en las entradas del amplificador, como se muestra en la Figura 2. Con los diodos D1 y D2 en su lugar, la oscilación de voltaje entre Q1 y Q2 se limita a aproximadamente ± 0,8 V. , muy por debajo del voltaje de ruptura de velocidad base. El voltaje de ruptura es mayor con procesos de menor velocidad, por lo que se pueden agregar más diodos en serie para elevar el voltaje de umbral. Si, por ejemplo, un proceso tuviera una ruptura de 4 V, se podrían usar tres diodos en serie para un umbral de aproximadamente 2,1 V. Para procesos muy lentos, los voltajes de ruptura inversa son lo suficientemente altos como para eliminar la protección de 'halla. ¿Por qué no dejas un juego de diodos y terminas con eso? Una de las desventajas de la protección de entrada es que los diodos limitan el voltaje en las entradas y, por lo tanto, tienen un efecto negativo en la velocidad de respuesta. Esta no es una característica deseable cuando se opera a altas velocidades.

En la mayoría de los casos, la protección es mejor que el daño. En casos raros, sin embargo, la protección interna puede provocar efectos indeseables. Considere, por ejemplo, un amplificador que no está alimentado, pero tiene una señal en la entrada. Las amplitudes de señal por debajo de unos pocos cientos de milivoltios no causarán problemas, pero las amplitudes de señal por encima de 400 mV pueden causar problemas. Con señales de entrada grandes, los diodos de protección de entrada (D1 y D2) estarán polarizados directamente. Se establece una ruta de señal desde la entrada hasta la salida a través de la resistencia de retroalimentación hasta la carga, como se muestra en la Figura 3. La magnitud de la señal depende de la amplitud y la frecuencia de la señal de entrada.

Este principio se demuestra utilizando un AD8021 configurado para una ganancia de +1. Como se describió anteriormente, el AD8021 incluye dos diodos consecutivos en el chip en las entradas del amplificador. El circuito de prueba se muestra en la Figura 4. Para esta prueba, se aplicaron a la entrada señales de 200 mVpp (–10 dBm) y 2 Vpp (+10 dBm). La señal se escanea de 300 kHz a 100 MHz. La Figura 5 muestra los resultados del aislamiento. A 10 MHz, la señal de 200 mV tiene un aislamiento de unos -50 dB. Con la señal de 2 Vpp, los diodos de protección están completamente encendidos. Una gran parte de la señal de entrada se enruta a la salida y el aislamiento fuera de potencia es de solo -29 dB. Esto tendría un efecto adverso en las aplicaciones multiplexadas, como la detección de radar, que requieren altos niveles de aislamiento fuera de la fuente de alimentación.

Para resolver este problema, primero intente evitarlo eligiendo un amplificador con un voltaje diferencial más alto. Desafortunadamente, el amplificador probablemente fue seleccionado por muchos otros parámetros (la protección diferencial de entrada no fue uno de ellos). La sección de clasificaciones máximas absolutas de la hoja de datos del amplificador generalmente enumera su voltaje de entrada diferencial máximo. Si la especificación es inferior a ±Vs, se proporciona cierta protección en el chip. Cuanto más bajo sea el voltaje, más probable es que el circuito muestre una degradación del aislamiento. La Tabla 1 muestra los voltajes de entrada diferenciales nominales para amplificadores seleccionados.

Tabla I. Valores nominales máximos de voltaje diferencial de amplificadores operacionales de alta velocidad seleccionados

La prueba de aislamiento se repitió en el AD8038, un amplificador de alta velocidad con una clasificación de voltaje diferencial de ±4 V cinco veces mayor que el AD8021. La clasificación de voltaje de entrada más alta significa que se requiere una señal más grande para polarizar los diodos de protección de entrada. La Figura 6 muestra que el AD8038 proporciona un aislamiento fuera de estado de -57 dB a 10 MHz con una señal de 2 Vpp en la entrada del amplificador, una mejora de 28 dB en el aislamiento fuera de estado con respecto al AD8021.

Si el amplificador especificado tiene una clasificación de voltaje de entrada diferencial bajo, puede ser útil usarlo en una configuración diferente. Los seguidores de voltaje tienen el área de sección transversal más grande. Una mejor opción es usar el amplificador en una configuración no inversora con ganancia. La resistencia de retroalimentación forma su divisor con la carga, lo que proporciona tres atenuaciones de señal en la salida. Una resistencia de retroalimentación más alta da como resultado niveles de atenuación más altos. Sin embargo, no configure la resistencia de retroalimentación demasiado alta, ya que esto puede aumentar el ruido y el voltaje de compensación y, en algunos casos, también puede reducir la estabilidad. La Figura 7 compara el aislamiento del AD8021 configurado para ganancias de +1 y +2 con 2 Vpp aplicados al aporte. Como se muestra, una configuración de ganancia de 2 proporciona una mejora de 6 dB en el aislamiento fuera de estado sobre una configuración de seguidor de voltaje.

Un enfoque más dramático es usar un interruptor analógico en serie, como el ADG701, en la salida del amplificador. El ADG701 desacopla por completo la salida del amplificador de la carga, proporcionando un aislamiento de aproximadamente -55 dB a 10 MHz, una cantidad comparable a la proporcionada por el AD8021 con una señal de entrada de 200 mVpp. Agregar un interruptor es una buena opción cuando un diseño requiere un amplificador con parámetros de CA principales, pero no suficiente voltaje de entrada diferencial.

Los amplificadores que incluyen protección de entrada en el chip brindan un funcionamiento sin problemas en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, en raras ocasiones, la protección de entrada puede presentar problemas. Si esto sucede, verifique primero la especificación del diferencial de voltaje de entrada máximo. Si es bajo, considere usar un amplificador con una clasificación más alta, cambiar la topología del circuito o agregar un interruptor en serie. Todas estas opciones reducirán la cantidad de cruces y mejorarán el aislamiento.