הגנה בפני מתח-יתר במבוא של מגברי-שרת: ריתוק כנגד שילוב

מגברי שרת (op amps) בעלי דיוק גבוה מאפשרים למתכנני המערכות ליצור מעגלים המתנים אותות (מגברים, מסננים, חוצצים וכד’) תוך שמירה על הדיוק של האות המקורי. כאשר מידע כלול בשינויים קטנים מאוד של האות, קריטי הדבר שמגברי שרת בנתיב האותות יבצעו את פעולתם תוך תרומה של שגיאה DC או AC קטנה מאוד. הביצועים של המערכת הכוללת תלויים במירוב (מיקסום) הדיוק והנכונות של האות המקורי לאורך הנתיב.  ביישומים מסוימים, עשוי להיווצר מצב בו המבואות של מגבר השרת מוזנים על-ידי מתחים מחוץ לרמת מתח הספק – מצב המכונה תנאי של מתח-יתר. לדוגמה, אם מגבר שרת מעוצב לפעול עם הזנה חיובית של +15 וולט והזנה שלילית של -15 וולט, בכל עת שפין מבוא עובר צעד של דיודה אחת מעבר לפסי ההזנה (לדוגמה ±15.7 וולט), ניתן להפעיל ממתח-קדימה של הדיודות בעלות הגנת ESD פנימית של מגבר השרת ולהתחיל להעביר זרם.
זרם מבוא מוגזם במשך תקופות ארוכות (או אף תקופות קצרות אם הזרם מספיק גבוה) יכול להזיק למגבר השרת. נזק זה יכול ליצור תזוזה בפרמטרי המפרט החשמלי מחוץ לגבולות המובטחים על-ידי דף הנתונים; הוא יכול אף לגרום לכשל קבוע של מגבר השרת. כאשר מתכנני מערכת מוצבים בפני מצב אפשרי זה, הם מוסיפים לעתים קרובות מעגלי הגנה בפני מתח-יתר (over-voltage protection – OVP) במבואות המגבר. האתגר הוא אז להוסיף מעגלי OVP מבלי להוסיף שגיאות (הפסד של דיוק המערכת).

כיצד מופיעים תנאי מתח-יתר
תנאי מתח-יתר עשויים להיגרם על-ידי מספר מצבים שונים. חשוב על מערכת בה חיישן מרחוק ממוקם בשדה (לדוגמה, במדידת זרימת נוזל בבית-זיקוק) והוא שולח את האותות שלו דרך כבל לאלקטרוניקה של איסוף נתונים הנמצאת במיקום פיזי שונה. השלב הראשון בנתיב האות האלקטרוני באיסוף הנתונים עשוי להיות לעתים קרובות מגבר שרת המעוצב כחוצץ או כמגבר שבח. המבוא של מגבר שרת זה פתוח לעולם החיצון ולכן עשוי להיות חשוף לאירועי מתח-יתר כלשהם כגון קצר מכבל פגום או חיבור לא נכון של הכבל אל האלקטרוניקה של איסוף הנתונים.

בדומה, מצב שעשוי ליצור תנאי מתח-יתר הוא כאשר אות מבוא הנמצא לרוב בתוך תחום מתח המבוא של המגבר קולט פתאום גירוי חיצוני הגורם לקוץ (spike)כתוצאת-מעבר העולה על מתחי ההזנה של המגבר השרת.
תרחיש שלישי היכול לגרום לתנאי מתח-יתר במבוא נובע משילוב מתח ההפעלה של מגבר השרת ורכיבים אחרים בנתיב האות. לדוגמה, אם מקור האות (לדוגמה, חיישן) מקבל מתח לפני מגבר השרת, המוצא של המקור עשוי להתחיל להפיק מתח אשר יוזן לאחר מכן למבוא של מגבר השרת אף אם לפיני ההספקה של מגבר השרת אינם מוזנים עדיין (הם למעשה מוארקים). דבר זה יגרום למצב של מתח-יתר ועשוי לאלץ זרם מוגזם דרך המבוא של מגבר השרת אל ההארקה (פיני ההספקה הבלתי מוזנים).
ריתוק (clamping): טכניקה קלאסית להגנה בפני מתח-יתר
דרך מקובלת ביותר להוסיף OVP מוצגת באיור 1. כאשר האמפליטודה של אות המבוא (VIN) עולה מעל אחד ממתחי ההספקה בתוספת מתח הקדימה של דיודה, הדיודה (DOVPP) או DOVPN תקדים את הממתח ותשלח את הזרם לפסי ההספקה ולא למבואות מגבר השרת, שם הזרם המיותר עשוי לפגוע במגבר השרת. ביישום זה, אנחנו משתמשים ב-ADA4077, מגבר שרת בעל דיוק גבוה ביותר והיסט מבוא נמוך עם תחום הספקת הספק של 30 וולט (או ±15 וולט).
דיודות הריתוק הן דיודות Schottky 1N5177 מאחר שיש להן מחת קדימה של בערך 0.4 וולט, שהוא פחות ממתח הקדימה של דיודות ההגנה בפני פריקה אלקטרו-סטאטית (electro-static discharge – ESD) במבוא; לכן דיודות הריתוק יחלו מוליכות זרם לפני שדיודות ה-ESD יעשו זאת. נגד ההגנה בפני מתח-יתר ROVP מגביל את הזרם קדימה דרך דיודות הריתוק כדי לשמור אותן מתחת לדירוג הזרם המרבי שלהן, תוך מניעה של נזק בהן בשל זרם מוגזם. הנגד RFB בלולאת המשוב הוא שם בגלל שכל זרם ממתח במבוא של המבוא הלא-הופך עשוי לגרום לשגיאת מתח מבוא על-פני ה-ROVP; הוספת RFB תאפס את השגיאה על-ידי הפקה של מתח דומה על המבוא ההופך.

הפשרה של מעגל ריתוק דיודות: דיוק מוקטן
על אף שהמעגל הקלאסי באיור 1 מגן על מבואות מגבר השרת, הוא תורם לכמות משמעותית של שגיאה בנתיב האות. למגברים בעלי דיוק גבוה יש ככלל מתחי היסט מבוא נמוכים (VOS) בתחום המיקרו-וולטים. לדוגמה, ה-VOS המרבי עבור ADA4077 הוא 35µV עבור תחום טמפרטורת הפעולה המלא של -400C ל-1250C. הוספת דיודות חיצוניות ונגד מתח-על תורמת לשגיאת היסט מבוא העשויה להיות הרבה יותר גדולה מאשר ההיסט הנמוך הכרוך במגבר השרת.
דיודות בעלות ממתח הפוך מציגות זרם זליגה הפוך הזורם מהקתודה דרך האנודה אל הספק. כאשר מתח האות במבוא (VIN) הוא בין פסי ההספקה, לדיודות DOVPN ו-DOVPP יש מתח הפוך על-פניהן. עם VIN מוארק (באמצע תחום מתח המבוא), הזרם ההפוך דרך ה-DOVPN שווה בערך לזרם הזליגה ההפוך דרך DOVPP. אולם כאשר VCM נע מעל ומתחת להארקה, זרם הפוך גדול יותר זורם דרך אחת הדיודות מאשר דרך השנייה. לדוגמה, כאשר VCM נמצא בשיא תחום מתח המבוא של מגבר השרת (שהוא 2 וולט ממתח ההספקה החיובי או +13 וולט במעגל זה), לדיודה DOVPN יהיה מתח הפוך של 28 וולט על-גביה. על-פי דף הנתונים של דיודת ה-1N5177, דבר זה עשוי לגרום לזרם זליגה הפוך של קרוב ל-100 ננו-אמפר. בשעה שהזרם בעל הזליגה ההפוכה זורם ממתח המבוא (VIN) דרך ROVP, הוא ייצור מפל מתח על-פני ה-ROVP הנראה בנתיב האות בדיוק כמו מתח היסט במבוא מוגבר.
דאגה נוספת היא בכך שזרם הזליגה ההפוך בדיודה יעלה בצורה מעריכית (אקספוננציאלית) עם עליית הטמפרטורה – ויגרום לעליה בקנס (penalty) של מתח-ההיסט של מעגל הריתוק OVP. בתור קו ייחוס תחתון של השוואה עבור דיוק מגבר השרת ללא מעגל מתח-על חיצוני, איור 2 מראה את מתח ההיסט הנמדד של ה-ADA4077 בתוך תחום מתחי מבוא בין -13 וולט ל- וולט. המדידות נערכו בשלוש טמפרטורות: 250C, 850C ו-1250C. שים לב שב-250C, ה-VOS של ה-ADA4077 שהיה בשימוש הגיע רק ל-6 מיקרו-וולט; אפילו ב-1250C, ה-VOS הוא רק כ-20 מיקרו-וולט. כאשר מוסיפים את מעגל הריתוק החיצוני OVP אל אותו התקן ADA4007 ומפעילים את המבוא ב-VIN, אנחנו רואים את התוצאות המוצגות באיור 3. בטמפרטורת החדר, ה-VOS קופץ ל-30 מיקרו-וולט – פי חמש משגיאת נתיב האות של ה-ADA4077 בלבד. ב-1250C, VOS מגיע למעל 15 מילי-וולט – עלייה של פי 750 מעל ה-20 מיקרו-וולט של ה-ADA4077! הדיוק נעלם.
הנגד של 5kΩ עושה עבודה יפה בהגנה על דיודת הריתוק (ולכן על מגבר השרת) במהלך מתח-יתר, אולם הוא מוסיף שגיאה לא-מבוטלת של היסט – תוך הקטנת הדיוק – במהלך פעולה רגילה כאשר הדיודות מזליגות זרם על-פניו (מבלי להזכיר את רעש Johnson של הנגד). מה שהיינו רוצים הוא נגד מבוא “דינמי” בעל התנגדות נמוכה במהלך הפעולה בתוך מתח המבוא המוגדר, אך התנגדות גבוהה בתנאי מתח-יתר.

פיתרון משולב מספק את התשובה
ה-ADA4177 הוא מגבר שרת בעל דיוק רב והיסט נמוך הכולל הגנה בפני מחת-יתר. הדיודות ESD המשולבות פועלות כמרתקות מתח-יתר לשם הגנה על החלק. FETs בעלי פעולת דלדול (depletion)נמצאים בטור בכל מבוא לפני דיודות ה-ESD. הם מספקים את ההתנגדות הדינמית העולה כאשר מתח המבוא (VCM) עובר את מתחי ההספקה. בשעה שמתח המבוא עולה, התנגדות הקולט למקור (drain-to-source resistance – RDSDN) של FET פנימי עולה, ומקטינה בכך את זרימת הזרם מעריכית עם המתח העולה (איור 4). מאחר שה-ADA4177 משתמש ב-FETs בעלי דלדול במבואות ולא בנגד הגנה טורי, מגבר השרת איננו סובל מקנס מתח-ההיסט על-פני הנגד כמו שמעגל הריתוק OVP סובל.
ה-ADA4177 יכול לעמוד במתחים במבואות שלו של עד 32 וולט מעבר למתח ההספקה. הוא מגביל את הזרם האופייני של מתח-היתר ל-10-12 מילי-אמפר ומגן על מגבר השרת ללא שימוש בכל רכיבים חיצוניים. כמתואר באיור 5, אפילו ב-1250C, יחידה בדוקה זו מראה מתח היסט של 40 מיקרו-וולט בלבד. זהו פחות מ-3% מהשגיאה שמעגל הריתוק הראה בטמפרטורה זו! הדיוק נשמר.

מה זה אומר לגבי ביצועי המערכת
כאשר הוא מנתח את השפעת מתח המבוא על דיוק נתיב האות, מתכנן המערכת יביא בחשבון את מידת ביטול אותות לא-רצויים, (common mode rejection ratio – CMRR). זוהי מדידה של כמות מתח ה-common-mode input voltage הנדחה מלהיות מוצג במוצא (או כמה מעט הוא עובר דרכו). מאחר שמגברי שרת מעוצבים בד”כ לספק שבח בין המבוא והמוצא, אנחנו מנרמלים את מפרט ה-CMRR על-ידי התייחסות לשינוי במתח ההיסט במבוא (השינוי במוצא מחולק בשבח הלולאה הסגורה של המגבר). ה-CMRR הוא ערך חיובי המבוטא ב-dB ומחושב על-ידי הנוסחה הבאה:

מיחס זה, אנחנו רואים בבירור שרצוי לשמור את VOS קטן ככל האפשר. ה-ADA4177 מוגדר כבעל גבול מזערי מובטח של CMRR של 125dB בכל תחום הטמפרטורה. תוך שימוש בתוצאות הבדיקה מהיחידות המדודות בניסוי זה, אנחנו יכולים לחשב ולהשוות את ה-CMRR של מעגל הריתוק וה-7ADA417. טבלה 1 מראה את הפסד הדיוק הקיצוני כאשר משתמשים במעגל דיודת הריתוק הקלאסי וה-CMRR המצוין של ה-ADA4177 עם הגנת מתח-היתר של FET משולב.