Высокоимпедансный буферный усилитель с защитой входов от электростатических разрядов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Для измерения некоторых параметров, таких как pH (кислотность) и биопотенциалы, требуются буферные усилители с высоким входным сопротивлением. Микросхемы усилителей с низкими значениями напряжений смещения и входных токов предлагают многие производители полупроводников, но при подключении кабеля датчика к схеме усилителя существует риск повреждения электростатическим разрядом (ESD), что требует соответствующей защиты усилителя. Пример неудовлетворительного решения этой проблемы показан на Рисунке 1. Резистор R₁ ограничивает ток, создаваемый ESD, а диоды D_1A и D_1B не позволяют входному напряжению усилителя IC₁ превысить уровни шин питания. К сожалению, при шунтировании 400-мегаомного входного импеданса датчика pH даже диоды с малой утечкой, такие как MMBD1503A, выпускаемые ON Semiconductor, создают значительные напряжения смещения.

Рисунок 1.	В обычной схеме защиты от электростатических разрядов диоды ограничивают входное напряжение усилителя до уровня его шин питания, но являются причиной нежелательных токов утечки.

Альтернативный подход иллюстрируется схемой на Рисунке 2. Усилитель AD8603 компании Analog Devices с низкими входными токами и низкими токами смещения выполняет функцию входного буфера с единичным усилением. Для любого нормального входного сигнала выходное напряжение схемы V_OUT равно входному напряжению V_IN. Поэтому напряжение на диоде защиты от электростатических разрядов D_1A или D_1B приближается к 0 В, и ток утечки ни одного из диодов не влияет на выходной сигнал датчика. В зависимости от полярности ESD, приложенного к входному разъему схемы, высоковольтный пик разряжается через диод D_1A или D_1B на положительную или отрицательную шину питания. Конденсатор C₁ работает как промежуточное «хранилище заряда», которое уменьшает скорость нарастания пика ESD и защищает выходной каскад микросхемы IC₁ от защелкивания, пока диод D_2A или D_2B не начнет отводить ток ESD в положительную или отрицательную шину питания. По сути, C₁ компенсирует паразитную емкость D₁.Резистор R₃ обеспечивает устойчивость микросхемы IC₁ при подключении емкостной нагрузки.

Рисунок 2.	В этой альтернативной схеме напряжение на обеих половинах D1 в нормальном режиме приближается к нулю и не приводит к возникновению токов утечки. Во время электростатического разряда оба диода проводят ток, защищая входы микросхемы IC1.

Во время электростатического разряда проводить ток могут как D₁, так и D₂, но при этом входное напряжение V_IN превышает напряжение шины питания только на два прямых напряжения диода. Резисторы R₁ и R₂ ограничивают входные токи усилителя ниже рекомендованного изготовителем максимального уровня 5 мА.

Рисунок 3.	Для получения наилучших характеристик окружите высокоимпедансные точки схемы медными проводниками, которые будут перехватывать токи утечки.

При изготовлении схемы обращайте особое внимание на разводку печатной платы. Из-за несовершенства диэлектрических свойств платы могут возникнуть пути для паразитных токов утечки. Добавление медных проводников с обеих сторон платы для создания защитных колец вокруг высокоимпедансных узлов отклоняет токи утечки (Рисунок 3).

Материалы по теме