Забезпечення надійності роботи радіоелектронних схем є однією з найважливіших завдань практичного використання компонентів радіоелектронної апаратури. Відносно ОУ найбільш вразливими є вхідні і вихідні ланцюги, ланцюги живлення.

Всі ці ланцюги критичні до навіть вельми нетривалим перенапряжениям, які можуть виникати в результаті грозових і електростатичних розрядів, перехідних процесів, несправностей по ланцюгах харчування і т. д. Другим за значимістю в плані ймовірного пошкодження ОУ представляються перевантаження по струму або розсіюється.

Захист вхідних ланцюгів ОУ

Раду.

При виборі схем захисту ОУ слід враховувати той момент, що багато сучасних мікросхеми вже мають вбудований захист, наприклад, на випадок короткого замикання в навантаженні, від перегріву і т. П.

Конструкційні особливості виконання та експлуатації мікросхем зазвичай вказують в технічних паспортах і описах. У таких описах обов’язково вказують гранично допустимі умови експлуатації мікросхем – По напрузі харчування, споживаному струму, струму навантаження, граничному рівню вхідних напруг і т. Д. Сучасні мікросхеми, враховуючи досвід експлуатації та статистику відмов, часто мають вбудовану систему захисту, наприклад, від короткого замикання в ланцюзі навантаження. Разом з тим, багато подібних удосконалення, підвищуючи надійність пристроїв, можуть помітно погіршити їх інші найважливіші експлуатаційні характеристики, особливо, швидкодія, роботу в області підвищених частот.

Найбільш простий спосіб захисту вхідних ланцюгів ОУ показаний на рис. 5.1 і рис. 5.2. Він полягає у використанні діодного обмежувача, виконаного на основі зустрічно включених високочастотних діодів і резистора R1, який за сумісництвом входить до складу підсилювача на ОП і визначає його коефіцієнт передачі.

Примітка.

Нагадаю, що для кремнієвих діодів обмеження настає при величині напруги, що прикладається до діодів, що перевищує 0,6-0,7В. При більш низьких напругах діоди можна практично виключити з еквівалентної схеми: їх опір витоку зазвичай набагато перевищує 1 МОм, а величина ємності не перевищує часток – одиниць пікофарад.

Для германієвих діодів поріг шунтирующего дії проявляється при напружених понад 0,25-0,3 В. При менших напругах опір витоку приблизно на порядок нижче, ніж для кремнієвих діодів; ємнісні властивості приблизно порівнянні.

Якщо є необхідність підвищити рівень вхідного сигналу, що надходить на вхід ОП без обмеження, для захисту можна використовувати

Рис. 5.1. Схема діодного обмежувача граничного рівня вхідної напруги

послідовний ланцюжок з декількох германієвих і / або кремнієвих діодів. Їх напруги арифметично підсумовуються; для забезпечення рівномірності розподілу падіння напруг паралельно кожному з діодів слід підключити резистор опором 0,5-2 МОм (всі резистори рівного номіналу).

Рис. 5.2. Варіант виконання схеми обмежувача

Рис. 5.3. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ з використанням симетричного стабилитрона

Одним з варіантів захисту вхідних ланцюгів ОУ є включення на його вході (симетричного) стабилитрона за схемою, представленої на рис. 5.3. В якості симетричного стабилитрона можна використовувати два (Або більше) зустрічно включених однотипних стабилитрона. Помітним недоліком схем захисту з застосування стабілітронів слід вважати те, що стабілітрони, як елементи суто низькочастотні, що мають виражені значення ємностей переходів і їх залежність від прикладеної напруги, можуть працювати лише в області дуже низьких частот, як правило, до 1 кГц.

Для захисту вхідних ланцюгів ОУ від перенапруги можна використовувати схему,

представлену на рис. 5.4. Під перенапруженням слід вважати таку напругу на вході, величина якого перевищує напруга живлення мікросхеми. Вирішити цю проблему нескладно при використанні діодних ланцюжків VD1 і VD2, які відкриваються і підключають вхід до шини харчування при напрузі на вході на частки вольта перевищує напруга живлення мікросхеми.

Рис. 5.4. Схема диодной захисту вхідних ланцюгів ОУ

Рис. 5.5. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ з використанням КМОП- комутатора

Наступний варіант виконання ланцюгів захисту заснований на використанні КМОП-комутатора, керованого вхідним сигналом (позитивної полярності). У разі якщо напруга на керуючому вході КМОП-комутатора перевищить рівень 0,6-0,7 від напруги його живлення, ключ комутатора замкнеться, забезпечивши захист входу ОУ.

Рис. 5.6. Варіант схеми захисту входу ОУ

У наведеній на рис. 5.5 схемою харчування КМОП-комутатора здійснюється безпосередньо від вхідного сигналу: це напруга в позитивної полярності через діод VD2 заряджає накопичувальний конденсатор С1 і обмежується стабілітроном VD1. Зважаючи малого енергоспоживання по ланцюгах харчування КМОП-комутатора (частки міліампера) конденсатор С1 утворює імпровізований аналог джерела живлення мікросхеми DA2.

Наведена вище схема забезпечує захист входу ОУ при рівні вхідної напруги, незначно перевищує напруга стабілізації стабілітрона VD1. Передбачається, що ця напруга менше або дорівнює напрузі живлення мікросхеми DA1. Забезпечити захист по вхідному сигналу, рівень якого не може перевищувати напруга живлення ОУ (або на частки вольта перевершує його), можна при використанні схемного пристрою, представленого на рис. 5.6.

Наступне технічне рішення передбачає коректну роботу елемента захисту при двополярної вхідному сигналі (рис. 5.7). Зазначу, що для підвищення чутливості схеми захисту для живлення керуючого входу комутатора можна використовувати випрямітелі- умножители вхідного сигналу. Можна також передбачити примусове зміщення початкового позитивного напруги на керуючому вході КМОП-комутатора.

Примітка.

Рис. 5.9. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ з використанням лавинного транзистора

Рис. 5.8. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ з використанням транзисторного ключа змінного струму

Рис. 5.7. Варіант схеми захисту входу ОУ

Варто нагадати, що більшість КМОП-комутаторів здатне працювати до частот, що не перевищують 1МГц.

Точніше кажучи, граничні можливості таких комутаторів безпосередньо залежать від напруги живлення мікросхеми комутатора: чим вище ця напруга, тим вище частота комутації. Діапазон же живлячих напруг КМОП-комутаторів вітчизняного виробництва лежить в інтервалі 3-15 В. Відповідна верхня гранична частота комутації може наближатися до 4-5 МГц (для сучасних моделей КМОП- комутаторів).

Більш швидкодіючим елементом захисту є транзисторні ключі, схема одного з варіантів виконання якого наведена нижче (див. Рис. 5.8). Як і в попередніх випадках елементом, що лімітує верхню частоту роботи пристрою, є найбільш низькочастотна деталь – стабілітрон VD5. У цьому зв’язку цей елемент доцільно замінити транзисторним аналогом, варіанти якого описані в монографії [5.1].

Як варіант виконання ланцюга захисту можна розглянути включену у вхідні ланцюг ОУ бруківку диодную схему, в діагональ якої в інверсному вигляді включений біполярний

лавинний транзистор VT1 (рис. 5.9). Пробій такого транзистора зазвичай спостерігається при напружених близько 8-10 В і більше, залежно від типу транзистора, див. Також [5.1].

Примітка.

Зазначу, що зазвичай лавинні транзистори при подібному режимі включення працездатні до частот не більше 200 кГц. Їх аналоги – діністори зазвичай працюють до частот не більше 1 кГц.

Рис. 5.10. Схема диодной захисту вхідних ланцюгів ОУ

Рис. 5.11. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ стабілітронами

Рис. 5.12. Схема захисту вхідних ланцюгів ОУ симетричним стабілітроном

Для того, щоб обмежити максимальне напруження між входами ОУ, використовують найпростіший доданий обмежувач, підключений до входів ОУ (рис. 5.10). При малому напрузі опір обмежувача на кремнієвих діодах перевищує десятки мегаом, зате при подальшому зростанні цієї напруги (при напрузі понад 0,6-0,7 В) експоненціально знижується до сотень ом. Область граничних робочих частот диодной захисту визначається властивостями як самого ОУ, так і типом використовуваних діодів (орієнтовно до 10 МГц, т. к. на більш високих частотах починають позначатися ємнісні властивості елементів схеми). Рівень обмеження можна східчасто змінювати, використовуючи ланцюжка послідовно включених діодів.

Варіант схеми захисту вхідних ланцюгів ОУ з використанням зустрічно включених стабілітронів наведено на рис. 5.11. Крім паралельного включення стабілітронів, рис. 5.11, можливо і їх послідовне включення або використання симетричного стабилитрона, рис. 5.12. Застосування стабилитронов дозволяє помітно підвищити напругу захисту, проте звужує область робочих частот пристрою.

Захист ОУ по ланцюгах харчування

Простим способом захисту ОУ від перенапруги по ланцюгах харчування є використання стабилитронов, рис. 5.13. Одночасно вирішуються завдання захисту, стабілізації напруги живлення, формування штучної середньої точки. При невірної полярності підключення

Рис. 5.16. Схема обмежувача струму ОУ

на ОУ подається напруга, рівне прямим падіння напруги на стабілітронах, що не приводить до пошкодження ОУ

Діод-резистивная захист, рис. 5.14, рятує ОУ від невірної полярності напруги, що подається, проте не захищає його від перенапруги.

Комбінований захист ОУ по ланцюгах харчування, рис. 5.15, поєднує в собі переваги раніше розглянутих технічних рішень. У схемі використана паралельна диодная захист з використанням діода VD3: при невірної полярності поданого напруги відбувається коротке замикання джерела живлення на діод VD3, після чого перегорає запобіжник FU1 і схема знеструмлюється.

Недоліки такого схемного рішення також очевидні:

♦ необхідність використання потужного діода захисту VD3;

♦ можливість пошкодження джерела живлення при використанні сурогатного запобіжника;

♦ необхідність заміни запобіжника.

Втім, останні проблеми можуть бути вирішені заміною одноразового запобіжником напівпровідниковим багаторазовим самовідновлюватися запобіжником [5.2].

Для обмеження струму, споживаного ОУ, використовують обмежувачі струму (генератори стабільного струму), рис. 5.16.

Захист вихідних ланцюгів ОУ

Вихідні ланцюги ОУ найчастіше пошкоджуються:

♦ або в результаті перенапруг, що виникають при роботі ОУ на індуктивне навантаження;

♦ чи від короткого замикання навантаження.

Варіант захисту вихідних ланцюгів від імпульсів непередбачуваної штатним режимом експлуатації полярності наведено на рис. 5.17.

Рис. 5.18. Схема захисту вихідних ланцюгів ОУ з використанням стабилитрона

Рис. 5.7 7. Схема диодной захисту вихідних ланцюгів ОУ

Стабілітрон, підключений паралельно опору навантаження, обмежує максимальне напруження вихідного сигналу до рівня напруги стабілізації, рис. 5.18.

Примітка.

Слід врахувати, що частотна область застосування такого способу захисту обмежена ємнісними властивостями стабилитрона (до одиниць кілогерц).

Рис. 5.19. Схема обмежувача граничного струму навантаження ОУ

Крім того, в залежності від величини вихідної напруги помітно змінюється і ємність стабилитрона. Це може додатково спотворити підсилюваний сигнал, а при роботі на індуктивне навантаження викликати резонансні процеси.

Обмежують граничний струм навантаження і, отже, захищає транзистори вихідних ланцюгів ОУ від перевантаження обмежувач струму (генератор стабільного струму), рис. 5.19. Слід зазначити, що багато сучасних ОУ мають подібні ланцюги захисту безпосередньо у складі мікросхеми.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.