産業用アプリケーションを高電圧から保護する方法を見つけることは、開発者にとって引き続き重要な課題です。Analog DevicesのHakan Uenlueによるこの記事では、開発者がOver-The-Top® (OTT) アンプを利用して過電圧保護を実現する方法を示す設計のヒントを紹介します。
産業用アプリケーションでも、システム電源よりも高い電圧が発生することがあります。ここでの電位は、たとえば自動車用電子機器ほど高くはありませんが、通常のシステム電圧よりも高くなることがよくあります。一部のシステム電圧は、多くのオペアンプにとって高すぎる場合もあります。これは、アナログ フロント エンド (AFE) にとって大きな課題となります。たとえば、電圧が高くなると、一般的なアンプの内部入力ダイオードが導通する可能性があります。この状態が長く続くと、誤動作や故障が発生する可能性が高くなります。開発者は、外部ダイオードや抵抗器などの外部保護回路を使用して、対応する予防措置を講じることができます。ただし、これらの追加コンポーネントはボード上のスペースを必要とし、漏れ電流、追加の静電容量、ノイズなどの欠点があります。このため、Over-The-Topテクノロジーを搭載した統合ICソリューションが最適な選択肢となります。
Over-The-Topはどのように機能しますか?
簡単に説明すると、最新世代のADA4098-1またはADA4099-1の内部を考えてみます。これらのOTTオペアンプにはそれぞれ2つの入力段があります。1つ目は、負電源 (–VS) から正電源 (+VS) より約1.25 V低い電圧までの入力信号を処理するPNPトランジスタで構成される共通エミッタ差動ステージです。2番目は、コモンモード電圧が +VS – 1.25 V以上の入力信号に対して動作する、さらにPNPトランジスタで構成されるコモンベース入力段です。内部回路の例を 図1に示します。最初のステージはトランジスタQ1とQ2で設計され、2番目のステージはトランジスタQ3からQ6で設計されています。
図1. 内部構造の簡略図（最新世代のADA4098-1から引用）
したがって、これらの入力ステージは、2つの異なるが補完的な動作範囲につながります。2つの入力段のオフセット電圧は厳密に調整されており、データシートに記載されています。
入力のコモンモード電圧が +VS に近づくと、第2ステージがアクティブになり、オペアンプはOver-The-Topモードになります。これは、さまざまなアプリケーションで過電圧が発生するケースです。たとえば、ハイサイド電流測定の場合、寄生または負荷関連の影響により、たとえ一時的であっても、電圧がシステム電源電位を超える可能性があります。一般的なアンプは、電源電圧範囲までの信号電圧を許可します。入力がこの範囲を大幅に超えると、通常は内部ダイオードがオンになり、大きな電流が流れます。信号電圧と電流によっては、これらのスパイクによってアンプの動作が中断されたり、最悪の場合、集積回路が故障したりする可能性があります。
このような問題が発生する一般的なオペアンプとは異なり、OTTを備えたアンプは最大80 Vの差動入力電圧に耐えることができます。この状態では、出力レベルは正電源 (+VS) に飽和します。この状態では、出力はデータシートの制限内で電流をシンクまたは供給する能力を保持します。入力が通常の動作範囲（–VS ～+VS）に戻ると、出力レベルも通常の線形範囲に戻り、DC精度が損なわれたり劣化したりすることはありません。最大70 Vのコモンモード電圧の場合も同様です。
OTTテクノロジーを搭載したアンプのアプリケーション例とヒント
いくつかの電流測定例を 図2に示します。ADA4098-1は低電力バージョンですが、ADA4099-1は帯域幅が広く、電圧上昇率も高くなっています。
図2. ADA4098-1による電流測定例
ローサイド測定では、ゲインは抵抗器R2とR3から得られます。ダイオードD1は、低負荷電流での単電源精度を向上させます。
ハイサイド電流測定では、1 kΩ および100 Ω (上部) の抵抗がゲインを決定します。アンプ入力の抵抗器は、フィルタリングなどの機能を提供します。この場合、1% の抵抗器が最適です。入力バイアス電流が発生すると、これらの抵抗器で電圧降下が発生します。1% などの許容誤差を小さくすると、ここでの電圧降下範囲を最小限に抑えることができます。
ADA4098-1からの出力は、無負荷状態で両電源の45 mV以内でレールからレールまでスイングできます。出力は24 mAをソースし、35 mAをシンクできます。アンプは内部的に補償されており、200 pF（最小）の負荷容量を駆動できます。出力と高容量負荷の間に50 Ω の直列抵抗を挿入すると、アンプの容量負荷駆動能力を拡張できます。
出力V外 より低い電位の回路を駆動し、この下流の回路に独自の電圧レール用の保護ダイオードがある場合、Vに抵抗を配置するのが理にかなっています。外。これにより、下流の回路に流れる電流が制限されます。
ADA4098-1には専用のSHDNピンがあり、このピンがハイにアサートされると、アンプが非常に低いシャットダウン状態に設定されます。ロジックハイは電圧によって定義されます ≥SHDNピンに–Vに対して1.5Vを印加S ピン。V外 ピンは高インピーダンス状態になります。別の方法として、正電源を除去することで、アンプは効果的に低電力状態にすることができます。これらのオフモードでは、OTTはアクティブのままであり、–Vを超える最大70Vの電圧がS 入力ピンに適用できます。
OTTアンプは、電流や電力の測定以外にも、センサーのフロントエンドや4 mA ～ 20 mAの電流ループとしても使用されます。詳細情報、その他のアプリケーション例、計算については、データシートをご覧ください。
結論
この記事では、Over-The-Topアンプが過電圧に対する保護をどのように提供できるかを説明しました。インテリジェントで精密な内部回路により、Over-The-Topアンプは堅牢性と精度を同時に実現します。
Analog Devicesの第5世代OTTアンプは、研究室で開発された最新の過電圧保護機能を回路設計に導入します。ADA4098-1やADA4099-1などのOTTオペアンプは、レールを超える高い電圧許容値を提供しながら、オフセット誤差とノイズ値を低減します。