一種高精度信號源輸出過壓保護電路的製作方法
2023-05-06 10:21:26 2
專利名稱：一種高精度信號源輸出過壓保護電路的製作方法
一種高精度信號源輸出過壓保護電路技術領域
本發明是有關於一種輸出過壓保護電路，特別涉及一種高精度信號源輸出過壓保護電路。
背景技術：
在產品使用過程中，經常會出現人為的操作失誤，特別是輸出電路誤操作對系統造成損害。例如將輸出端誤接高壓(220V交流電等)，或者將輸出端誤接輸入端，或者接入的信號源超過系統本身的測量範圍等，輸出電路的防護能力一般都很弱，無法達到很強的過壓保護能力。
常規的保護方法採用在電路輸入端或者信號源輸出端之間的連接線路上加入過流過壓保護器件的方法，如圖1所示，該電路包括輸入端91、輸出端92、內部電路93和過流過壓保護器件94，該過流過壓保護器件通常為熔斷器或功率電阻，該過流過壓保護器件串聯在所述輸入端和輸出端之間的連接線路上，該過流過壓保護器件能夠保證電路在輸入端或者輸出端接入較大電壓或電流時消除對內部電路中組件的損害。
由於上述電路中的過流過壓保護器件包括內阻，假設電路的輸入端和輸出端之間的電壓範圍為(TlOOmV，所述過流過壓保護器件的內阻為1歐姆，如果驅動ImA的負載，則過流過壓保護器件將會產生ImV電壓降，如果在精度要求較高的電路，比如信號源電路中，電路的輸出誤差可以達到1%，顯然，所述過流過壓保護器件的內阻對電路的精度產生很大的影響，由於電路中存在過流過壓保護器件，相當於增加了電路的內阻，使得電路負載能力下降，直接導致電路的輸出精度降低。對於信號源電路來說，都是小功率信號，精度要求比較高，僅僅通過常規的過流過壓保護器件保護能力有限，並且影響信號源的可靠性。發明內容
為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，主要用於高精度信號源設備，以及一些需要高精度信號輸出且需要高可靠性的過壓保護電路中。利用該高精度信號源輸出過壓保護電路自動進行過流檢測，過流時快速自關斷，將電壓限定在器件可承受的範圍內，從而實現高過壓保護能力，同時不影響信號源的輸出精度，解決了常規輸出過壓保護電路保護能力低下，影響信號源精度的技術問題。
基於上述目的，本發明提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，包括運算放大器模組、第一電壓箝位單元、第一過流過壓保護單元以及反饋單元，其中所述運算放大器模組的正相輸入端，用於接收輸入電壓；所述運算放大器模組的反相輸入端經由所述反饋單元電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第二端；所述運算放大器模組的輸出端電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第一端；所述反饋單元與所述第一過流過壓保護單元的第二端之間的連接線路上的任意一點為輸出端，用於輸出電壓； 所述第一電壓箝位單元的連接埠電性連接於所述運算放大器模組的輸出端；所述第一過流過壓保護單元進一步包括第一光控場效應管。
優選地，所述第一過流過壓保護單元還包括一開關控制單元，用於控制所述第一光控場效應管的開/關，所述開關控制單元包括一正極和一負極；所述第一光控場效應管包括第一端、第二端、第三端和第四端，其中所述開關控制單元的正極電性連接於第一光控場效應管的第二端，所述開關控制單元的負極電性連接於第一光控場效應管的第一端，所述第一光控場效應管的第三端經由所述反饋單元電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端，所述第一光控場效應管的第四端電性連接於所述運算放大器模組的輸出端。
優選地，所述第一電壓箝位單元包括正電源、負電源、第一二極體、第二二極體、第一齊納二極體以及第二齊納二極體，其中所述第一齊納二極體的N極與所述第一二極體的N極電性連接於A點，所述第一齊納二極體的P極電性連接於接地端，所述第二齊納二極體的P極與所述第二二極體的P極電性連接於B點，所述第二齊納二極體的N極電性連接於接地端；A點是所述第一齊納二極體的N極與所述第一二極體的N極的連接線路上的任意一點，B點是所述所述第二齊納二極體的P極與所述第二二極體的P極的連接線路上的任意一點。
所述正電源電性連接於所述第一二極體的N極和所述第一齊納二極體的N極之間的A點，所述負電源電性連接於所述第二二極體的P極和所述第二齊納二極體的P極之間的B點；所述第一二極體的P極與所述第二二極體的N極電性連接，所述第一二極體的P極與所述第二二極體的N極之間的連接線路上的任意一點作為所述第一電壓箝位單元的連接端□。
優選地，所述反饋單元為第一保護電阻，所述第一保護電阻電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端和所述第一光控場效應管的第三端之間。
作為本發明的進一步改進，所述反饋單元包括第二過流過壓保護單元和第二電壓箝位單元，所述第二過流過壓保護單元電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端和所述第一光控場效應管的第三端之間，所述第二電壓箝位單元的連接埠電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端。
優選地，所述第二過流過壓保護單元包括第二光控場效應管，所述第二光控場效應管包括第一端、第二端、第三端和第四端，其中所述第二光控場效應管的第三端電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端，所述第二光控場效應管的第四端電性連接於所述第一光控場效應管的第三端，所述第二光控場效應管的第一端和第二端電性連接於所述第一光控場效應管的第二端和開關控制單元的正極之間。
優選地，所述第二電壓箝位單元包括第三二極體和第四二極體，所述第三二極體的N極電性連接於所述第一二極體的N極和所述第一齊納二極體的N極之間的A點，所述第四二極體的P極電性連接於所述第二齊納二極體的P極和所述第二二極體的P極之間的B 點，第三二極體的P極電性連接於第四二極體的N極，所述第三二極體的P極與所述第四二極體的N極之間的連接線路上的任意一點作為所述第二電壓箝位單元的連接埠。
作為本發明的進一步改進，所述高精度信號源輸出過壓保護電路還包括第一限流電阻，所述第一限流電阻電性連接於所述運算放大器模組的輸出端與所述第一電壓箝位單元之間。
作為本發明的進一步改進，所述高精度信號源輸出過壓保護電路還包括第二限流電阻，所述第二限流電阻電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端與所述第二電壓箝位單元之間。
優選地，所述第一電壓箝位單元還包括第五二極體和第六二極體，所述第五二極體電性連接於所述正電源和A點之間，所述第六二極體電性連接於所述負電源和B點之間， 其中所述第五二極體的P極電性連接於所述正電源，所述第五二極體的N極與第一二極體的N極電性連接於A點；所述第六二極體的N極電性連接於所述負電源，所述第六二極體的P極與第二二極體的P極電性連接於B點。
光控場效應管和第二光控場效應管都是帶過流檢測快速自關斷的保護器件。
本發明提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，利用運算放大器、二極體、齊納二極體、限流電阻、自帶過流檢測能力、自關斷特性和低內阻特性的光控場效應管等，實現了高精度的過壓保護能力，不會影響信號的輸出精度，既滿足了可靠性的要求，又滿足了實用性的要求。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、利用光控場效應管內部帶過流檢測和自關斷的能力、以及二極體和齊納二極體的箝位功能，大大提高了輸出過壓保護能力。
2、利用光控場效應管的低內阻特性，大大提高了信號源輸出過壓保護電路的負載能力，進而提高了輸出精度。
3、在反饋電路中也採取過壓保護措施，利用光控場效應管和二極體進一步提高了信號源輸出過壓保護電路的精度。
4、在電源與齊納二極體之間增加二極體，利用二極體的反向截止特性來隔斷齊納二極體擊穿後的箝位電壓，使得電源電壓不會變化，不需要選擇更高工作電壓的運算放大器，從而節約了成本。
5、在光控場效應管、齊納二極體的基礎上，通過增加限流電阻，使得流過運算放大器的電流進一步得到限制，讓運算放大器始終處於安全狀態，大幅提高了整個電路的可靠性。
圖1為現有技術的結構示意圖；圖2為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第一種結構示意圖；圖3為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第一實施例的電路拓撲結構圖；圖4為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第二種結構示意圖；圖5為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第二實施例的電路拓撲結構圖；圖6為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第三實施例的電路拓撲結構圖；圖7為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第四種結構示意圖；圖8為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第四實施例的電路拓撲結構圖。
具體實施方式
在說明書及上述的權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬領域中包括通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及上述的權利要求並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區別的基準。在通篇說明書及上述的權利請求項當中所提及的「包括」是為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「電性連接」一詞在此是包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置電性連接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或透過其它裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加明顯易懂，下文特舉具體實施例，並配合附圖作出詳細說明，其中相同標號指示同樣或相似的組件或步驟，但下述實施例並非用於限定本發明。此外，為簡化圖式起見，一些公知慣用的結構與組件在圖式中將以簡單示意的方式繪示。
在電路設計中經常會使用到過流過壓保護器，用來保護內部電路在過壓過流的情況下不被損壞，一般情況下都是直接在電路中串聯一個過流過壓保護器，如圖1所示，該過流過壓保護器通常為熔斷器或功率電阻，但無論哪種過流過壓保護器件本身都存在一定的內在電阻，由此降低了輸出電路負載能力，進而影像電路的輸出精度，對於信號源電路尤其重要。
第一實施例本發明提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，圖2為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第一種結構示意圖，請參照圖2，包括運算放大器模組10、第一電壓箝位單元20、第一過流過壓保護單元30以及反饋單元40 ；第一電壓箝位單元20用於電壓箝位；第一過流過壓保護單元30，用於過流過壓時自關斷，從而保護內部電路不受損害；其中運算放大器模組10包括正相輸入端、反相輸入端及輸出端，第一電壓箝位單元20包括一個連接埠，第一過流過壓保護單元30包括第一端和第二端。運算放大器模組10的正相輸入端為該高精度信號源輸出過壓保護電路的輸入端，運算放大器模組10的反相輸入端經由所述反饋單元40電性連接於所述第一過流過壓保護單元30的第二端；運算放大器模組10的輸出端電性連接於第一過流過壓保護單元30的第一端；反饋單元40與第一過流過壓保護單元30的第二端之間的連接線路上的任意一點作為該高精度信號源輸出過壓保護電路的輸出端，用於輸出電壓；第一電壓箝位單元20的連接埠電性連接於運算放大器模組10的輸出端。第一過流過壓保護單元30進一步包括第一光控場效應管。
第一種高精度信號源輸出過壓保護電路利用第一電壓箝位單元20對電壓的鉗製作用，利用第一光控場效應管的帶過流檢測快速自關斷特性，以及第一光控場效應管的內阻很小的特性，還利用運算放大器虛短路、虛斷路的原理實現高過壓保護以及消除輸出過壓保護電路的內阻的影響，為高精度的信號源電路提供可靠的保障。
圖3為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第一實施例的電路拓撲結構圖，請合併參照圖2和圖3。
一種高精度信號源輸出過壓保護電路，包括運算放大器模組10、第一電壓箝位單元20、第一過流過壓保護單元30以及反饋單元40。
運算放大器模組10為一運算放大器100，包括正相輸入端，反相輸入端，輸出端， 正電源端和負電源端。
第一過流過壓保護單元30包括第一光控場效應管300和一開關控制單元(圖未示)，第一光控場效應管300包括第一端、第二端、第三端和第四端。所述開關控制單元用於控制所述第一光控場效應管的開/關，所述開關控制單元包括一正極和一負極。第一光控場效應管300內部具有過流檢測能力，當電流達到規定值時，該第一光控場效應管300將快速自關斷，並且第一光控場效應管的內阻較低，不會過多地影響信號源輸出電路的負載能力。所述開關控制單元用於控制第一光控場效應管300的開/關，該開關控制單元可以是一個電壓源串聯一個電阻，也可以是一個電流源，本實施例以電流源301為例，但並不局限於此。電流源301包括一正極和一負極，分別對應開關控制單元的正極和負極。
第一電壓箝位單元20包括正電源210、負電源211、第一二極體201、第二二極體 202、第一齊納二極體221以及第二齊納二極體222。
反饋單元40為第一保護電阻400。
運算放大器100的正相輸入作為高精度信號源輸出過壓保護電路的輸入端，用於接收輸入電壓Vin ；運算放大器100的反相輸入端經由第一保護電阻400電性連接於第一光控場效應管300的第三端；運算放大器100的輸出端電性連接於第一光控場效應管300 的第四端；運算放大器100的正電源端電性連接於正電源210，正電源210的電壓值為VCC， 運算放大器100的負電源端電性連接於負電源211，負電源211的電壓值為VSS。
第一齊納二極體221的N極與第一二極體201的N極電性連接於A點，第一齊納二極體221的P極電性連接於接地端，第二齊納二極體222的P極與第二二極體202的P 極電性連接於B點，第二齊納二極體222的N極電性連接於接地端。這裡需要指出的是，A 點是第一齊納二極體221的N極與第一二極體201的N極的連接線路上的任意一點，B點是所述第二齊納二極體222的P極與所述第二二極體202的P極的連接線路上的任意一點， 定義出A點和B點只是為了描述方便，不能認為是對權利要求書和說明書的限定。
正電源210電性連接於第一二極體201的N極和第一齊納二極體221的N極之間的A點，負電源211電性連接於第二二極體202的P極和第二齊納二極體222的P極之間的B點；第一二極體201的P極與第二二極體的N極電性連接，第一二極體201的P極與第二二極體202的N極之間的連接線路上的任意一點作為第一電壓箝位單元20的連接埠。 第一電壓箝位單元20的連接埠電性連接於運算放大器100的輸出端。
電流源301的正極電性連接於第一光控場效應管300的第二端，電流源301的負極電性連接於第一光控場效應管300的第一端，第一光控場效應管300的第三端經由第一保護電阻400電性連接於運算放大器100的反相輸入端，第一光控場效應管300的第四端電性連接於運算放大器100的輸出端。
第一光控場效應管300的第三端和第一保護電阻400之間的連接線路上的任意一點作為該高精度信號源輸出過壓保護電路的輸出端Vout，也是本發明的輸出過壓保護點。
第一種高精度信號源輸出過壓保護電路的工作原理為從電路結構上可以看出，該電路是一個電壓緩衝跟隨器，輸入端Vin接收輸入電壓，輸出端Vout為輸出電壓，本電路的目的就是對輸入電壓進行緩衝跟隨，使得輸出電壓Vout等於輸入電壓Vin，其中，電流源301是第一光控場效應管300的開關控制信號。
在正常工作時，根據運算放大器的虛斷路原理，第一保護電阻400上無電流流過， 運算放大器100的反相輸入端電壓與第一光控場效應管300的第三端的電壓相同；根據運算放大器的虛短路原理，運算放大器100的正相輸入端和反相輸入端的電壓相等，所以第一光控場效應管300第三端的電壓與運算放大器100的正相輸入端的電壓相同，從而抵消了第一光控場效應管300上的電阻的影響。
當輸出端Vout誤接到高壓上時，由於第一二極體201、第二二極體202、第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的箝位作用，誤接的高壓幾乎全部施加在第一光控場效應管300上，流過第一光控場效應管300的電流將快速增加；由於光控場效應管是帶過流檢測快速自關斷的保護器件，第一光控場效應管300內部自帶過流檢測能力，當檢測到電路超過預定值時，快速自關斷，從而切斷故障電壓來達到保護內部電路的目的。由於運算放大器的輸入阻抗一般都很高，故第一保護電阻400的電阻值和功率可以設計為合適的較大值，這樣即使過高的電壓通過輸出端Vout施加在第一保護電阻400和運算放大器100上， 也不會對第一保護電阻400和運算放大器100產生損傷。
利用第一光控場效應管300的低內阻特性，不會影響信號源輸出電路的負載能力，這樣就實現了在不影響信號源輸出精度的前提下，增加了強電過壓保護能力。
下面舉出具體數據對本發明做進一步的詳細描述。
第一光控場效應管300採用市面上能夠買到的光控場效應管，比如Panasonic公司的GU PhotoMOS, 導通時內阻為30 Ω，電流源301控制光控場效應管的開啟和關斷，光控場效應管內部自帶電流檢測功能，電流達到170mA時自動關斷；運算放大器100為普通的運算放大器，其輸入阻抗為50M Ω，額定電流IOmA ；的第一二極體201、第二二極體202為100V/1A，第一齊納二極體221和第二齊納二極體222擊穿電壓為6. 2V，正電源210的電壓值為VCC=+5V，負電源211的電壓值為 VSS=-5V，第一保護電阻400為100 Ki。
在電路正常工作的時候，如上述的工作原理所述，根據運算放大器的虛短路、虛斷路原理，該電路輸入端Vin和輸出端Vout的電壓相同，抵消了第一光控場效應管300的內阻對電路的影響，輸出電壓範圍為-5疒+5V。
假設輸出端Vout誤接了一個200V的電壓，故障電壓遠遠超出了電源電壓的範圍， 將引起第一二極體201、第二二極體202、第一齊納二極體221和第二齊納二極體222起箝位作用。第一齊納二極體221快速擊穿，A點電位被箝位到6. 2V左右，第一二極體201 的P極電壓被箝位到6. 2V+0. 7V=6. 9V左右，此時，流過第一光控場效應管300上將會存在 200V-6. 9V=193. IV左右的電壓，流過的電流193. 1V/30 Ω =6. 4Α左右，第一光控場效應管 300內部自帶電路檢測功能，當檢測到電流超過170mA時將自動關斷，所以第一光控場效應管300很快就會自動關斷，保護了內部電路不受損壞。此時只有第一保護電阻400串聯在整個迴路中，第一保護電阻400的電阻值為100 ΑΩ ,流過的電流大約為200V/100 Kl =2mA, 使得運算放大器安全狀態，達到了過流過壓保護的功能。
由於A點的電壓被箝位在6. 2V左右，正電源210的電壓值為VCC=+5V，所以正電源的電壓值有所升高，因此需要選用工作電壓更大的運算放大器。9
第二實施例作為本發明的進一步改進，在第一種高精度信號源輸出過壓保護電路的基礎上進行升級，對反饋單元也採取了過壓保護措施。圖4為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第二種結構示意圖，請參照圖4。為了清楚比較本實施例與上述實施例的差異，與第一實施例相同的組件是使用相同的標號。
反饋單元40包括第二過流過壓保護單元41和第二電壓箝位單元42，第二過流過壓保護單元41電性連接於運算放大器模組10的反相輸入端和第一光控場效應管300的第三端之間，第二電壓箝位單元42的連接埠電性連接於運算放大器模組10的反相輸入端。
請合併參照圖3和圖4，對反饋單元40同樣採取了過壓保護措施，這樣就可以省略第一保護電阻400。運算放大器在理論狀態下的輸入阻抗無窮高，但實際情況下輸入阻抗並不是無窮高，尤其是高精度運算放大器，其輸入阻抗並不是很高，第二種高精度信號源輸出過壓保護電路省略了第一保護電阻400，能夠進一步提高信號輸出的精度，這種電路尤其適用於精度要求比較高的場合。
圖5為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第二實施例的電路拓撲結構圖，請合併參照圖4和圖5。
第二種高精度信號源輸出過壓保護電路，包括運算放大器模組10、第一電壓箝位單元20、第一過流過壓保護單元30以及反饋單元40，反饋單元40包括第二過流過壓保護單元41和第二電壓箝位單元42。
運算放大器模組10為一運算放大器100，包括正相輸入端，反相輸入端，輸出端， 正電源端和負電源端。
第一過流過壓保護單元30包括第一光控場效應管300和一電流源301，第一光控場效應管300包括第一端、第二端、第三端和第四端。第一光控場效應管300內部具有過流檢測能力，當電流達到規定值時，該第一光控場效應管300將快速自關斷，並且第一光控場效應管的內阻較低，不會過多地影響信號源輸出電路的負載能力。
第二過流過壓保護單元41包括第二光控場效應管410，所述第二光控場效應管 410的內部結構與第一光控場效應管300完全相同，第二光控場效應管410包括第一端、第二端、第三端禾口第四端。
第一電壓箝位單元20包括正電源210、負電源211、第一二極體201、第二二極體 202、第一齊納二極體221以及第二齊納二極體222。
第二電壓箝位單元42包括第三二極體421和第四二極體422。
運算放大器100的正相輸入作為高精度信號源輸出過壓保護電路的輸入端，用於接收輸入電壓Vin ；運算放大器100的反相輸入端電性連接於第二光控場效應管410的第三端；運算放大器100的輸出端電性連接於第一光控場效應管300的第四端；運算放大器 100的正電源端電性連接於正電源210，正電源210的電壓值為VCC，運算放大器100的負電源端電性連接於負電源211，負電源211的電壓值為VSS。
第一齊納二極體221的N極與第一二極體201的N極電性連接於A點，第一齊納二極體221的P極電性連接於接地端，第二齊納二極體222的P極與第二二極體202的P 極電性連接於B點，第二齊納二極體222的N極電性連接於接地端。這裡同樣需要指出的是，A點是第一齊納二極體221的N極與第一二極體201的N極的連接線路上的任意一點，10B點是所述第二齊納二極體222的P極與所述第二二極體202的P極的連接線路上的任意一點，定義出A點和B點只是為了描述方便，不能認為是對權利要求書和說明書的限定。
正電源210電性連接於第一二極體201的N極和第一齊納二極體221的N極之間的A點，負電源211電性連接於第二二極體202的P極和第二齊納二極體222的P極之間的B點；第一二極體201的P極與第二二極體的N極電性連接，第一二極體201的P極與第二二極體202的N極之間的連接線路上的任意一點作為第一電壓箝位單元20的連接埠。 第一電壓箝位單元20的連接埠電性連接於運算放大器100的輸出端。
第一光控場效應管300的第一端電性連接於電流源301的負極，第一光控場效應管300的第三端電性連接於第二光控場效應管410的第四端，第一光控場效應管300的第四端電性連接於運算放大器100的輸出端，第二光控場效應管410的第一端和第二端電性連接於第一光控場效應管300的第二端和電流源301的正極之間，即第一光控場效應管 300的第二端電性連接於第二光控場效應管410的第一端，第二光控場效應管410的第二端電性連接於電流源301的正極。
第三二極體421的N極與第一二極體201的N極電性連接於A點，第四二極體422 的P極與第二二極體202的P極電性連接於B點，第三二極體421的P極電性連接於第四二極體422的N極，第三二極體421的P極與第四二極體422的N極之間的連接線路上的任意一點作為第二電壓箝位單元42的連接埠。第二電壓箝位單元42的連接埠電性連接於運算放大器100的反相輸入端。
第一光控場效應管300的第三端和第二光控場效應管410的第四端之間的連接線路上的任意一點作為該高精度信號源輸出過壓保護電路的輸出端Vout，也是本發明的輸出過壓保護點。
第二種高精度信號源輸出過壓保護電路的工作原理為從電路結構上可以看出，該電路同樣是一個電壓緩衝跟隨器，輸入端Vin接收輸入電壓，輸出端Vout為輸出電壓，本電路的目的就是對輸入電壓進行緩衝跟隨，使得輸出電壓 Vout等於輸入電壓Vin，其中，電流源301是第一光控場效應管300和第二光控場效應管的開關控制信號。
在正常工作時，根據運算放大器的虛斷路原理，第二光控場效應管410上無電流流過，運算放大器100的反相輸入端電壓與第一光控場效應管300的第三端的電壓相同；根據運算放大器的虛短路原理，運算放大器100的正相輸入端和反相輸入端的電壓相等，所以第一光控場效應管300第三端的電壓與運算放大器100的正相輸入端的電壓相同，從而抵消了第一光控場效應管300上的電阻的影響。
當輸出端Vout誤接到高壓上時，由於第一二極體201、第二二極體202、第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的箝位作用，誤接的高壓幾乎全部施加在第一光控場效應管300上，流過第一光控場效應管300的電流將快速增加；由於光控場效應管是帶過流檢測快速自關斷的保護器件，第一光控場效應管300內部自帶過流檢測能力，當檢測到電流超過預定值時，快速自關斷，從而切斷故障電壓來達到保護內部電路的目的。
由於高精度運算放大器的輸入阻抗實際上並不是很高，當過高的電壓通過輸出端 Vout施加在第二光控場效應管410和運算放大器100上時，由於第三二極體421、第四二極體422、第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的箝位作用，高壓幾乎全部施加在第二光控場效應管410上，流過第二光控場效應管410的電流將快速增加；由於光控場效應管是帶過流檢測快速自關斷的保護器件，第二光控場效應管410內部自帶過流檢測能力，當檢測到電路超過預定值時，快速自關斷，從而切斷故障電壓來達到保護內部電路的目的，尤其使得運算放大器100處於安全狀態。
第三實施例作為本發明的進一步改進，在第一種高精度信號源輸出過壓保護電路和第二種高精度信號源輸出過壓保護電路的基礎上進行升級，對第一電壓箝位單元做出了改進。圖6為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第三實施例的電路拓撲結構圖，本實施例的電路結構示意圖與第二實施例相同，請合併參照圖4和圖6，為了清楚比較本實施例與上述實施例的差異，相同的組件是使用相同的標號。
相較於第一實施例和第二實施例的第一電壓箝位單元20，第三種高精度信號源輸出過壓保護電路中的第一電壓箝位單元20還包括第五二極體205和第六二極體206。
第五二極體205電性連接於正電源210和A點之間，第六二極體206電性連接於負電源211和B點之間，其中第五二極體205的P極電性連接於正電源210，第五二極體 205的N極與第一二極體201的N極電性連接於A點；第六二極體206的N極電性連接於負電源211，第六二極體206的P極與第二二極體的P極電性連接於B點。本實施例與第二實施例的相同之處，此處不再贅述。
第三種高精度信號源輸出過壓保護電路的工作原理與第二種高精度信號源輸出過壓保護電路基本相同，不同之處在於第五二極體205和第六二極體206的作用是在過壓故障狀態下，通過第五二極體205 的反向截止特性來隔斷第一齊納二極體221擊穿後的箝位電壓；通過第六二極體206的反向截止特性來隔斷第二齊納二極體222擊穿後的箝位電壓。
本領域技術人員具有通常知識者熟知通常情況下，第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的擊穿電壓設計值比VCC和VSS要高，如第一實施例中所描述的那樣，第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的擊穿電壓為6. 2V，VCC=+5V, VSS=_5V。在過壓狀態下，由於第一齊納二極體221和第二齊納二極體222的箝位作用，使得第一實施例中的正電源VCC值和負電源VSS值略有升高，如第一實施例的具體舉例中所述，於是就需要選用更高工作電壓的運算放大器，從而引起成本的大幅上升。本實施例通過增加第五二極體205 和第六二極體206，利用二極體的反向截止特性，使得正電源210和負電源211的電壓不會隨齊納二極體的擊穿電壓上升，從而解決了這一問題，不需要增加成本購買工作電壓更高的運算放大器。即使輸出端Vout誤接高壓，也不會引起正電源VCC值和負電源VSS值的變化，從而節約了成本。
第四實施例作為本發明的進一步改進，在第二種和第三種高精度信號源輸出過壓保護電路的基礎上進行升級，通過增加限流電阻提升整個電路的可靠性。圖7為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第四種結構示意圖，請參照圖7，為了清楚比較本實施例與上述實施例的差異，相同的組件是使用相同的標號。
相較於第二實施例和第三實施例的電路結構示意圖(圖4)，第四種高精度信號源輸出過壓保護電路還包括第一限流電阻51和第二限流電阻52。第一限流電阻51電性連接於運算放大器模組10的輸出端與第一電壓箝位單元20之間，第二限流電阻52電性連接於運算放大器模組10的反相輸入端與第二電壓箝位單元42之間。本電路結構示意圖與第二和第三實施例的相同之處，此處不再贅述。
圖8為本發明一種高精度信號源輸出過壓保護電路的第四實施例的電路拓撲結構圖，請合併參照圖7和圖8，為了方便舉例，圖8是在圖6的基礎上增加了第一限流電阻 51和第二限流電阻52，但並不局限於此，還可以在圖5的基礎上增加。
第一限流電阻51電性連接於運算放大器100的輸出端與第一電壓箝位單元20的連接埠之間，第二限流電阻52電性連接於運算放大器100的反相輸入端與第二電壓箝位單元42的連接埠之間。本電路拓撲結構圖與第三實施例的相同之處，此處不再贅述。
第四種高精度信號源輸出過壓保護電路的工作原理與第三種高精度信號源輸出過壓保護電路基本相同，不同之處在於第一限流電阻51和第二限流電阻52的作用是在過壓故障狀態下，限制流過運算放大器100的電流。
本領域技術人員具有通常知識者熟知，運算放大器的輸入及輸出管腳均有較好的過壓、過流保護能力，通過第一、第二、第三實施例的技術方案能夠解決絕大部分的輸出過壓保護電路中的技術問題。如果需要更可靠的電路保護時，尤其是高精度的運算放大器，輸入阻抗比普通的運算放大器低，通過增加第一限流電阻51和第二限流電阻52，使得流過運算放大器100的電流進一步得到限制，更好地讓運算放大器處於安全狀態，從而大幅提高整個電路的可靠性。
綜上所述，本發明提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，利用運算放大器、二極體、齊納二極體、限流電阻、自帶過流檢測能力、自關斷特性和低內阻特性的光控場效應管等，實現了高精度的過壓保護能力，不會影響信號的輸出精度，既滿足了可靠性的要求， 又滿足了實用性的要求，尤其適用於高精度信號源設備，以及一些需要高精度信號輸出且需要高可靠性的電路。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、利用光控場效應管內部帶過流檢測和自關斷的能力、以及二極體和齊納二極體的箝位功能，大大提高了輸出過壓保護能力。
2、利用光控場效應管的低內阻特性，大大提高了高精度信號源輸出過壓保護電路的負載能力。
3、在反饋電路中也採取過壓保護措施，利用光控場效應管和二極體進一步提高了信號源輸出過壓保護電路的精度。
4、在電源與齊納二極體之間增加二極體，利用二極體的反向截止特性來隔斷齊納二極體擊穿後的箝位電壓，使得電源電壓不會變化，不需要選擇更高工作電壓的運算放大器，從而節約了成本。
5、在光控場效應管、齊納二極體的基礎上，通過增加限流電阻，使得流過運算放大器的電流進一步得到限制，讓運算放大器始終處於安全狀態，大幅提高了整個電路的可靠性。
雖然本發明已以實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種變化與潤飾，因此本發明的保護範圍當視上述的權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，包括運算放大器模組、第一電壓箝位單元、第一過流過壓保護單元以及反饋單元，其中所述運算放大器模組的正相輸入端，用於接收輸入電壓；所述運算放大器模組的反相輸入端經由所述反饋單元電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第二端；所述運算放大器模組的輸出端電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第一端；所述反饋單元與所述第一過流過壓保護單元的第二端之間的連接線路上的任意一點為輸出端，用於輸出電壓；所述第一電壓箝位單元的連接埠電性連接於所述運算放大器模組的輸出端；所述第一過流過壓保護單元進一步包括第一光控場效應管。
2.如權利要求1所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述第一過流過壓保護單元還包括一開關控制單元，用於控制所述第一光控場效應管的開/關，所述開關控制單元包括一正極和一負極；所述第一光控場效應管包括第一端、第二端、第三端和第四端，其中所述開關控制單元的正極電性連接於第一光控場效應管的第二端，所述開關控制單元的負極電性連接於第一光控場效應管的第一端，所述第一光控場效應管的第三端經由所述反饋單元電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端，所述第一光控場效應管的第四端電性連接於所述運算放大器模組的輸出端。
3.如權利要求1或2所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述第一電壓箝位單元包括正電源、負電源、第一二極體、第二二極體、第一齊納二極體以及第二齊納二極體，其中所述第一齊納二極體的N極與所述第一二極體的N極電性連接於A點，所述第一齊納二極體的P極電性連接於接地端，所述第二齊納二極體的P極與所述第二二極體的P極電性連接於B點，所述第二齊納二極體的N極電性連接於接地端；所述正電源電性連接於所述第一二極體的N極和所述第一齊納二極體的N極之間的A 點，所述負電源電性連接於所述第二二極體的P極和所述第二齊納二極體的P極之間的B佔.所述第一二極體的P極與所述第二二極體的N極電性連接，所述第一二極體的P極與所述第二二極體的N極之間的連接線路上的任意一點作為所述第一電壓箝位單元的連接端□。
4.如權利要求2所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述反饋單元為第一保護電阻，所述第一保護電阻電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端和所述第一光控場效應管的第三端之間。
5.如權利要求3所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述反饋單元包括第二過流過壓保護單元和第二電壓箝位單元，所述第二過流過壓保護單元電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端和所述第一光控場效應管的第三端之間，所述第二電壓箝位單元的連接埠電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端。
6.如權利要求5所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述第二過流過壓保護單元包括第二光控場效應管，所述第二光控場效應管包括第一端、第二端、第三端和第四端，其中所述第二光控場效應管的第三端電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端，所述第二光控場效應管的第四端電性連接於所述第一光控場效應管的第三端，所述第二光控場效應管的第一端和第二端電性連接於所述第一光控場效應管的第二端和開關控制單元的正極之間。
7.如權利要求5所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述第二電壓箝位單元包括第三二極體和第四二極體，所述第三二極體的N極電性連接於所述第一二極體的N極和所述第一齊納二極體的N極之間的A點，所述第四二極體的P極電性連接於所述第二齊納二極體的P極和所述第二二極體的P極之間的B點，第三二極體的P極電性連接於第四二極體的N極，所述第三二極體的P極與所述第四二極體的N極之間的連接線路上的任意一點作為所述第二電壓箝位單元的連接埠。
8.如權利要求5所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述高精度信號源輸出過壓保護電路還包括第一限流電阻，所述第一限流電阻電性連接於所述運算放大器模組的輸出端與所述第一電壓箝位單元之間。
9.如權利要求5所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述高精度信號源輸出過壓保護電路還包括第二限流電阻，所述第二限流電阻電性連接於所述運算放大器模組的反相輸入端與所述第二電壓箝位單元之間。
10.如權利要求3所述的高精度信號源輸出過壓保護電路，其特徵在於，所述第一電壓箝位單元還包括第五二極體和第六二極體，所述第五二極體電性連接於所述正電源和A點之間，所述第六二極體電性連接於所述負電源和B點之間，其中所述第五二極體的P極電性連接於所述正電源，所述第五二極體的N極與第一二極體的N極電性連接於A點；所述第六二極體的N極電性連接於所述負電源，所述第六二極體的P極與第二二極體的P極電性連接於B點。
全文摘要
本發明提供一種高精度信號源輸出過壓保護電路，主要用於高精度信號源設備，以及需要高精度信號源輸出且需要高可靠性的保護電路。該高精度信號源輸出過壓保護電路，包括運算放大器模組、第一電壓箝位單元、第一過流過壓保護單元以及反饋單元，其中運算放大器模組的正相輸入端，用於接收輸入電壓；運算放大器模組的反相輸入端經由所述反饋單元電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第二端；運算放大器模組的輸出端電性連接於所述第一過流過壓保護單元的第一端；第一電壓箝位單元的連接埠電性連接於所述運算放大器模組的輸出端；第一過流過壓保護單元進一步包括第一光控場效應管，第一光控場效應管是帶過流檢測快速自關斷的保護器件。
文檔編號H02H3/08GK102510056SQ20111043269
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者丁雲, 李堂忠, 楊舟, 王凱, 童靈, 羅志君, 趙滔 申請人:浙江中控自動化儀表有限公司