高精度的运算
放大器使系统设计者能够在处理信号时（放大、滤波和缓冲），同时保持原始信号的准确性。特别是当信息包含在动态变化非常微弱的信号中时，信号路径上的操作必须具备极低的直流和交流误差性能才能保证精度。整个系统的准确性取决于信号路径的精度维持程度。
在某些情况下，可能会出现超过电源电压驱动运算放大器输入的情况，也就是所谓的过压。举例来说，假设运算放大器配置为+15 V正电源和-15 V负电源，当输入引脚电压超过一个二极管的压降加上供电轨道电压（例如±15.7 V）时，运算放大器内部的静电放电保护二极管会开始传导电流。
长时间（甚至短时间内）的超过输入电流，如果电流足够高，可能会损坏运算放大器。这种损坏可能导致电气规格参数偏离数据手册中所保证的限制值，甚至导致运算放大器永久性损坏。因此，面对这种可能性，系统设计人员通常会在放大器输入端添加过压保护（OVP）电路。然而，难点在于引入OVP电路的同时不增加误差或损失系统精度。
过压条件可能由许多不同情况引起。例如，考虑一个远程传感器位于现场的系统，比如炼油厂中的液体流动，并通过电缆将信号发送到另一个位置的数据采集设备。数据采集设备信号路径的第一级通常是配置为缓冲器或增益放大器的运算放大器。由于该运算放大器的输入处于外部环境下，因此可能受到过压事件的影响，比如电缆损坏导致的短路，或者电缆与数据采集设备连接错误。
类似地，可能导致过压条件的情况是：当输入信号（通常在放大器输入电压范围内）突然遭受外部刺激时，导致瞬态峰值超过运算放大器的电源电压。另一种可能导致输入过压的情况是运算放大器和信号路径上其他元件的上电时序。例如，如果信号源（如传感器）在运算放大器之前上电，则信号源可能会输出电压，而此时运算放大器的电源引脚还没有上电。这种情况会导致过压，可能会让过量电流通过运算放大器的输入并流向接地端（未上电的电源引脚）。
箝位技术：一种常见的过压保护方法
以下是一种常用的过压保护（OVP）方法，如图1所示。当输入信号(VIN)的幅度超过电源电压加上二极管正向电压之一时，箝位二极管（DOVPP或DOVPN）会开始导通，电流会通过供电轨，过量电流可能会损坏运放器。在这个应用中，我们使用ADA4077，这是一款准确性非常高的运放器，其最大电源范围为30 V（或±15 V）。
箝位二极管采用1N5177肖特基二极管，因为它们的正向导通电压约为0.4 V，低于运放器输入端的静电放电（ESD）保护二极管的正向导通电压。因此，箝位二极管会比ESD二极管更早开始导通电流。过压保护电阻ROVP限制了通过箝位二极管的正向电流，使其保持在最大额定电流以下，以防止受到过量电流的损害。使用反馈环路电阻RFB是因为，同相输入端的任何输入偏置电流都会通过ROVP产生输入电压误差，增加RFB的值可以消除这种误差，因为它会在反相输入端产生一个类似的电压。
然而，经典电路图1中的箝位二极管电路在保护运放器输入端的同时也引入了许多误差。精密运放器的输入失调电压（VOS）通常在微伏级别，例如，ADA4077在-40°C至+125°C的全工作温度范围内的最大VOS为35 μV。添加外部二极管和限流电阻会引入输入失调误差，这个误差通常比精密运放器固有的失调要大几倍。
反向偏置二极管具有反向漏电流，该漏电流从阴极流到阳极。当输入信号电压（VIN）在供电轨之间时，二极管DOVPP和DOVPN具有反向电压。当VIN处于地电平时（输入电压范围的中点），通过DOVPN的反向电流大致等于通过DOVPP的反向漏电流。然而，当VCM变为高于或低于地电平时，其中一个二极管中流过的反向电流大于另一个二极管中流过的电流。例如，当VCM等于运放器输入电压范围的最大值时，即接近正电源2 V（或本电路中的13 V）时，二极管DOVPN上的反向电压为28 V。根据1N5177二极管的数据手册，这可能导致接近100 nA的反向漏电流。当反向漏电流从输入信号端（VIN）通过ROVP时，它会在ROVP上产生电压降，看起来就像信号路径上的输入失调电压增加了。
另一个需要注意的是，随着温度的升高，二极管的反向漏电流呈指数增长，导致箝位OVP电路的失调电压剧烈增加。
满足要求的集成式解决方案
ADA4177是一款高精度运算放大器，具有集成过压保护功能。它采用了集成式ESD二极管作为过压箝位，以保护设备。在输入端之前，还使用了耗尽型FET，串联连接到各个输入端。这些FET具有动态电阻，在输入电压(VCM)超过电源电压时增加。随着输入电压上升，内部FET的漏极-源极电阻(RDSON)增加，从而限制了跟随电压上升而呈指数增长的电流（参见图4）。由于ADA4177采用了耗尽型FET，并且不需要串联保护电阻，因此运算放大器不会像箝位OVP电路那样在电阻两端产生失调电压问题。
图4. ADA4177输入偏置电流随过压的增加而受限
ADA4177的输入可以承受高达32 V的电压，将过压电流限制在10 mA至12 mA的范围内（典型值），从而无需任何外部元件来保护运算放大器。如图5所示，即使在125°C下，测试单元的失调电压只有40 μV。这个值相当于箝位电路在该温度下误差的不到3%。精度性能得到了保留！
这对系统性能的意义
在分析输入电压变化对信号通路精度的影响时，系统设计者会考虑共模抑制比（CMRR）。它表示输出端可以抑制多少共模输入电压（或通过了多少）。由于运算放大器通常被配置成在输入和输出之间具有增益，因此我们将输入失调电压变化作为参考归一化CMRR规格（即，除以放大器闭环增益的输出变化）。共模抑制比是一个正数，单位为dB，计算公式如下：
CMRR = 20 log (ΔVCM / ΔVOS)
从这个比值中可以看出，需要将VOS保持在最小。在整个工作温度范围内，ADA4177确保至少125 dB的最小CMRR限值。通过对比测试单元使用经典箝位二极管电路时的精度损失和集成FET过压保护的ADA4177的CMRR性能，可以计算出并比较它们。表1显示了经典箝位二极管电路的精度极大损失，以及集成FET过压保护的ADA4177出色的CMRR性能。
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