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技術記事 – オーバーザトップアンプを用いたアナログフロントエンド（AFE）における過電圧保護
Hakan Uenluet著
2021年11月1日
はじめに
産業用アプリケーションにおいては、高電圧が発生する可能性は常に懸念事項です。高電圧から保護する方法を見つけることは、開発者にとってこれまでも、そしてこれからも重要な課題となるでしょう。この設計のヒントでは、OTT（Over-The-Top®）アンプを利用して、どのように高電圧から保護するのかを説明します。
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。例えば車載用電子機器ほど高い電圧ではありませんが、通常のシステム電圧よりも高くなることは少なくありません。システム電圧の中には、多くのオペアンプにとって高すぎるものさえあります。このこと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。例えば、高い電圧は一般的なアンプ内部の入力ダイオードを定常的に導通させます。この状態が長く続くと、誤動作やさらに故障が発生する可能性が高くなります。
開発者は、例えば外付けダイオードや抵抗器による外付け保護回路を使用して、これに対応する予防措置を講じることができます。しかし、これらの追加の部品は基板上にスペースを必要とし、リーク電流、余分な容量、ノイズの増加などの欠点を伴います。このような理由から、Over-The-Top技術による統合ICソリューションが最良の選択肢となります。
Over-The-Topはどのように動作しますか？
簡単に説明するために、最新世代の ADA4098-1 または ADA4099-1 の内部構造を考えてみましょう。これらのOTTオペアンプはそれぞれ2つの入力段を備えています。第1段はコモンエミッタ差動入力段で、入力信号が負電源（-VS）～正電源（+VS）より約1.25V低い電圧までの範囲で動作する、PNPトランジスタで構成されています。第2段は、さらに別のPNPトランジスタで構成されるコモンベース入力段で、入力信号のコモンモード電圧が+VS – 1.25 V以上となる場合に動作します。内部回路の一例を図1に示します。第1段はトランジスタQ1およびQ2で構成されており、第2段はトランジスタQ3からQ6で構成されています。
図1. 内部構造の簡略図（最新世代の ADA4098-1 から引用）
従って、これらの入力段は2つの異なる、しかし相補的な動作範囲になります。2つの入力段のオフセット電圧は厳密にトリミングされており、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段が作動し、オペアンプはオーバーザトップ動作モードに移行します。これはさまざまなアプリケーションにおいて過電圧状態となる場合に相当します。例えば、ハイサイド電流測定では、寄生効果や負荷に起因する影響により、たとえ一時的であっても電圧がシステム電源電圧を超える場合があります。一般的なアンプは、電源電圧範囲までの信号電圧にしか対応していません。入力がこの範囲を大幅に超える場合、内部ダイオードが通常オン状態となり、それらを通じてかなりの電流が流れます。信号電圧や電流の大きさによっては、これらのスパイクがアンプの動作を中断させたり、最悪の場合、集積回路の故障を引き起こす可能性があります。
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80V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）に対して飽和しています。出力はこの状態でも、データシートの制限内で電流を吸い込む、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精度の損傷や劣化はありません。コモンモード電圧が70Vまでの場合も同様です。
OTT技術搭載アンプの応用例とヒント
電流測定の例をいくつか図2に示します。 ADA4098-1 は低消費電力バージョンですが、ADA4099-1 は帯域幅が広く、電圧上昇率（スルーレート）が高くなっています。
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、低負荷電流での単一電源のアンプの精度を向上させます。
ハイサイド電流測定では、1kΩと100Ω（上側）の抵抗がゲインの決め手となります。アンプ入力の抵抗は、特にフィルタリングの役割を果たします。この場合、1%精度の抵抗が最適です。考えられる入力バイアス電流は、これらの抵抗を介した電圧降下となり、1%のような高精度な許容差は、ここでの電圧降下のばらつきを最小限に抑えるのに役立ちます。
ADA4098-1 の出力は、無負荷時において両電源電圧から45mV内側の範囲でレール間をスイングします。出力は、ソース電流24mAとシンク電流35mAが可能です。アンプは内部で補償されており、200pF（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50Ωの直列抵抗を挿入することで、アンプの容量性負荷駆動能力を拡張することができます。
出力VOUTがより低い電位の回路を駆動し、その次段の回路が自身の電圧レールの保護ダイオードを持つ場合、VOUTに抵抗を挿入することは理にかなっています。これにより、次段の回路に流れる可能性のある電流を制限することができます。
ADA4098-1 には専用のSHDNピンが設けられており、このピンがハイレベルになると、アンプは非常に低消費電力のシャットダウン状態に移行します。ロジックハイは、SHDNピンに-VSピンに対して1.5V以上の電圧が印加された状態と定義されます。この場合、VOUTピンは高インピーダンス状態となります。代替方法として、正電源を遮断することでアンプを低消費電力状態に効果的に移行させることも可能です。いずれのオフモードにおいても、OTTは引き続き作動しており、入力ピンには-VSに対して最大70Vまでの電圧を印加することが可能です。
OTTアンプは、電流測定や電力測定以外にも、センサのフロントエンドや4mA～20mA電流ループなどにご利用いただけます。詳細な情報、その他の応用例、および計算式については、データシートをご参照ください。
まとめ
この記事では、Over-The-Topアンプがいかに過電圧からの保護を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アンプはロバスト性と精度を同時に提供します。
Analog Devicesの第5世代OTTアンプは、最新の過電圧保護（OVP）技術を研究室からお客様の回路設計へお届けします。ADA4098-1 や ADA4099-1 などのOTTオペアンプは、レール電圧を超える高い耐電圧性能を実現すると同時に、より低いオフセット誤差とノイズ値を達成します。
著者について
Hakan Uenlue
Hakan Uenlue氏はAnalog Devicesのシニアフィールドアプリケーションエンジニアです。Stuttgart大学にて電気電子工学の修士号を取得されました。ハードウェア開発者およびフィールドアプリケーションエンジニアとしての経験を経て、2015年にADIに入社しました。
本記事に関連する製品―新規設計向け推奨品（RFND）
50V、130kHz、32.5μA、堅牢なOver-The-Top、高精度オペアンプ –> ADA4097-1
（汎用アンプ、1回路、レールツーレール、TSOT-6 –> ADA4097-1BUJZ-RL7）
（ADA4097 用評価ボードであるAnalog Devices Inc.の EVAL-ADA4097-1HUJZ は、DigiKey品番 505-EVAL-ADA4097-1HUJZ-ND としてご確認いただけます。）
50V、1MHz、165μA、堅牢なOver-The-Top高精度オペアンプ –> ADA4098-1
（Analog Devices Inc.の ADA4098 -1用評価ボードとして EVAL-ADA4098-1HUJZ をご利用ください。）
50V、8MHz、1チャンネルあたり1.5mA堅牢なOver-The-Top高精度オペアンプ –>ADA4099-1
(Analog Devices Inc.の ADA4099 -1用評価ボードとして EVAL-ADA4099-1HUJZ をご利用ください。）