Protección ESD para entradas y salidas OpAmp

La respuesta a esta pregunta requiere que analicemos tanto la amenaza como los detalles de este circuito. Desafortunadamente, la protección ESD no es igual para todos.

La amenaza es IEC61000-4-2, contacto de 8 kV. Tenga en cuenta que la prueba de descarga de aire de 15 kV se considera equivalente, como se explica en esta nota extremadamente útil de On Semiconductor.

Aparentemente, su amplificador no tiene diodos internos, y llegué a esa conclusión al leer las calificaciones máximas absolutas:

Si hubiera diodos internos, esperaría ver V+ +0.3V (o 0.5V) y V- -0.3V. Tenga en cuenta los valores aquí; si es de 0,3 V, los diodos internos son del tipo de barrera Schottky y dispositivos PN ordinarios de 0,5 V cuando estos dispositivos están realmente presentes en el dispositivo.

Como su amplificador no tiene diodos internos, simplemente debemos limitar los nodos de entrada a no más que los rieles de alimentación. Sería posible usar un cambio rápido a los rieles de alimentación, pero eso fácilmente podría ser muy problemático cuando se devuelve energía al sistema de energía. A continuación, describiré un método más común.

Ahora la amenaza:

Tenga en cuenta el transitorio muy rápido de 1 nseg; No conozco ningún dispositivo que pueda sujetarlo con éxito por completo dentro del tiempo disponible.

Los números:

Para esta prueba, la carga a disipar es de 1,2 microculombios, y desde una perspectiva energética (muy importante ya que define el calentamiento), 4,8 milijulios. Aunque esos no son números particularmente grandes, definitivamente son considerables para una etapa de entrada de amplificador. (El modelo para esta prueba es un capacitor de 150 pF cargado y descargado a través de 330 ohmios). Esa baja impedancia de fuente durante la descarga presenta el mayor desafío.

Mi enfoque, por lo tanto, es sujetar esa forma de onda a algo que pueda filtrarse con éxito, con un voltaje de separación superior a los rieles de alimentación, pero su circuito tiene características que hacen que esta elección sea un desafío.

Como tendrá microamperios de corriente (un amplificador de fotodiodo en una configuración TIA), la fuga del dispositivo deberá estar en el rango de nanoamperios, y también es muy deseable una baja capacitancia.

Hay una serie de dispositivos disponibles, pero este dispositivo parece prometedor con un voltaje de separación inversa de 16 V, que supera sus rieles de alimentación, por lo que el dispositivo no funcionará en condiciones normales de funcionamiento.

Este dispositivo tiene una fuga muy baja y, por lo tanto, no debería interferir con el funcionamiento normal del circuito, y presenta una capacitancia de subpicofaradios, también muy deseable en esta aplicación.

Al mirar la hoja de datos , vemos que, de hecho, está clasificado para esta amenaza en particular (cuidado con las declaraciones de cumplimiento, siempre busque dispositivos que hayan sido probados según el estándar específico que desea cumplir).

Aquí están los resultados de la prueba de contacto de 8kV:

Sin embargo, esto solo nos lleva a un par de cientos de voltios, por lo que debemos hacer más, pero al usar esta abrazadera, hemos reducido la tensión en las resistencias de entrada (ver el circuito a continuación), por lo que no necesariamente se requiere una resistencia de resistencia de pulso costosa. , pero esta es una elección que debe hacerse.

Tomando su circuito y agregando un pequeño filtro, obtengo esto:

Las resistencias R2 y R3 no deberían interferir con la ganancia normal del amplificador y, de hecho, se encuentran comúnmente en algunos amplificadores .

R4 está presente solo para evitar que las corrientes de compensación de entrada se conviertan en un voltaje de compensación de entrada, aunque en este caso particular no debería ser necesario ya que esta compensación es de 25pA en el peor de los casos.

Seleccioné los valores del filtro para que el corte de paso bajo esté muy por encima de cualquier frecuencia de señal de interés, con -3dB a 588kHz, pero lo suficientemente bajo como para sujetar el resto de la forma de onda. Este filtro podría ajustarse para diferentes respuestas de frecuencia de manera bastante simple.

El dispositivo de sujeción debe montarse lo más cerca posible del pin del conector.

Los resultados de mi simulación muestran esta sujeción a aproximadamente 15 V, pero no he dejado caer su amplificador en el circuito; Lo dejo como ejercicio.

Resumir:

¿Cuál es la amenaza?

¿Qué características tiene mi pieza? Si los diodos ESD ya estuvieran disponibles, un enfoque de diseño diferente puede ser adecuado.

¿Qué desafíos presenta mi circuito para la sujeción? La corriente de fuga y la capacitancia de la pinza pueden ser críticas (como lo es aquí).

¿La abrazadera debe ser un enfoque de dos etapas o se puede usar un solo dispositivo (como podría ser el caso con dispositivos ESD internos)?

Identifique las compensaciones necesarias si utiliza este enfoque de dos etapas de tensión de fijación inicial y rendimiento del filtro.

Por supuesto, hay más dispositivos disponibles de los que he vinculado; mira a tu alrededor.

He tratado de ser minucioso, pero si tiene alguna pregunta sobre por qué tomé un enfoque en particular, por favor pregunte.

Actualización: Protección de salida.

Comenzaría con la salida en esta configuración. R1 es necesario para 'aislar' la salida del condensador de filtro. Los valores reales utilizados deben reflejar las características de frecuencia del circuito y se eligen para un punto de -3dB que no afecte la señal de interés.

Los diodos ESD internos van a los rieles de alimentación y, por lo tanto, tienen polarización inversa en condiciones normales. Los dispositivos Schottky tienden a tener mayores fugas que los dispositivos PN, aunque los fabricantes de dispositivos están logrando grandes avances en este aspecto. En esta configuración, la corriente de fuga es en realidad el mayor desafío.

Actualización: si usé un amplificador con diodos ESD.

Si hubiéramos elegido un dispositivo con diodos ESD, como esta aplicación :

Entonces, simplemente podríamos usar el supresor anterior (16 V) o quizás un dispositivo bidireccional de 5 V (ya que es voltaje de suministro) y no hacer más, como dice la hoja de datos :

ESD El LTC6244 tiene diodos de protección ESD con polarización inversa en todas las entradas y salidas, como se muestra en la Figura 1. Estos diodos protegen el amplificador contra descargas ESD de hasta 4 kV. Si estos pines se fuerzan más allá de cualquiera de los suministros, fluirá una corriente ilimitada a través de estos diodos. Si el transitorio de corriente es inferior a 1 segundo y está limitado a cien miliamperios o menos, no se producirán daños en el dispositivo.

Por lo tanto, lo máximo que tendríamos que hacer es limitar la corriente del diodo ESD a <100 mA y todo estará bien. Si suprimimos los 8 kV a aproximadamente 250 V (como se muestra en las curvas de prueba anteriores), entonces como el suministro es insignificante en relación con eso, una resistencia de entrada de 250 V/100 mA = 2,5 k haría el trabajo. Tenga en cuenta, sin embargo, la fuente de nuestra corriente de polarización de entrada:

La corriente de polarización de entrada del amplificador es la corriente de fuga de estos diodos ESD. Esta fuga es una función de la temperatura y el voltaje de modo común del amplificador, como se muestra en las Características de rendimiento típicas.

Como siempre, la respuesta a cómo lidiar con eventos como ESD es 'depende de las especificaciones de su circuito'.

Estoy respondiendo aquí para ofrecerle un enfoque alternativo. Tuve que lidiar con una situación similar, pero en mi caso, los sensores estaban montados en el exterior a un nivel en el que el peor de los casos no era una ESD de un dedo humano, sino un posible rayo. Ahora, obviamente, para casi cualquier circuito factible, todas las apuestas están canceladas durante un verdadero golpe de iluminación directa sin gastar mucho dinero. Pero al hacer la investigación para mi proyecto, llegué a la conclusión de que los métodos de protección, completamente externos y aislados del circuito sensible, son una mejor estrategia cada vez que la protección ESD típica de 15kv dentro de los componentes estándar no es adecuada. La estrategia entonces se convierte en prevenir en lugar de proteger.Una onza de prevención vale más que una libra de cura, como solía decir mi padre. Por ejemplo...

• El sensor en sí se puede colocar dentro de una caja pequeña e incluso sellada con una cara transparente de lexan o policarbonato, como estas cajas con clasificación nema 4X de polycase: .
• Si el sensor y el circuito deben estar en áreas separadas, como en mi caso, obviamente necesitará varios gabinetes, pero también necesitará un cable multiconductor de doble blindaje, con el blindaje exterior conectado a tierra. Se pueden considerar estrategias similares para la salida del circuito. Compañías como ERITECH fabrican una gran cantidad de cables y equipos para este propósito y, como era de esperar, el departamento de tecnología de su compañía local de televisión por cable a menudo tiene buenas recomendaciones de equipos si puede hacerse amigo de uno de sus gerentes.

Estoy seguro de que algunos rechazarán mi respuesta diciendo que estoy evitando la solución que estabas pidiendo a favor de la mía, pero esto no podría caber en un comentario y espero que te sea útil, aunque solo sea como parte de la solución. La estrategia que sugiero puede ser exagerada o, como dije, solo marginalmente adecuada si ocurre un verdadero impacto directo de un rayo (el último aumento de ESD). Pero nuevamente, y habiendo diseñado muchos dispositivos que necesitaban soportar el tipo más típico de descarga ESD (como una chispa de un dedo humano), descubrí que después de la debida diligencia de elegir piezas con protección típica incorporada de 15kv, enfocando el resto El esfuerzo en el aislamiento físico y la prevención tiene varias ventajas.

• Hay menos posibilidades (y preocupaciones) de cambiar la respuesta, la sensibilidad u otras características que pueden ser una consecuencia no deseada cada vez que se agregan partes a un circuito.
• Incluso una estrategia exitosa de protección no aborda los problemas que pueden resultar de la salida falsa de su circuito durante un evento ESD real, incluso si los datos falsos son temporales.

Dado que la entrada - del opamp es una tierra virtual, creo que solo puede colocar 2 (¡rápido!) Diodos antiparalelos a tierra. De esa manera, tanto un pulso positivo como uno negativo se cortocircuitarán a tierra.

Tenga en cuenta que el opamp también tendrá algo de protección ESD interna, pero no pude encontrar una especificación para esto en la hoja de datos.

Use un conector hembra conmutado para cortocircuitar la entrada del amplificador operacional a tierra cuando el sensor esté desconectado.

Utilice 3,5 mm (tamaño de auriculares) si el espacio es limitado.

Use 1/4" (tipo amplificador de guitarra) si la robustez mecánica es una prioridad.