思わぬ過電圧にも備えて安心、ダイオード利用の保護回路：オペアンプ＋トランジスタ“ちょい足し”回路集（3）（3/3 ページ）

オペアンプICに個別トランジスタを“ちょい足し”して性能を高めたり機能を拡充したりできる定番回路集。今回は、過大な入力電圧からオペアンプを守る、ダイオードを使った保護回路を紹介しましょう。過電圧の危険は、アナログ信号処理回路のいろんなところに潜んでいます。どうぞご注意を！

[藤森弘己，アナログ・デバイセズ]

過剰な電圧をクリッピング

　それではダイオードを使った保護回路の具体的な構成方法に進みましょう。図3は、前段のアンプの出力（後段のアンプの入力）をある電圧でクリップする（抑える）保護回路です。

　例えば図2の例1にダイオードを使った保護回路を取り入れるとこうなります。すなわち、前段のアンプ１の出力が正電圧側に大きく振れて[後段のアンプ2の正電源電圧]＋[ダイオードのV_F]を超えると、ダイオードが導通し、その過電圧による電流は抵抗Rを通ってアンプ2の電源へ抜けてしまいます。従ってアンプ2の入力は、この正電源電圧をV_F以上超えることはありません。負側も同じです。アンプ2の入力に印加される電圧は、[アンプ2の電源電圧±V_F以内]の範囲に抑えられます。この例では、正電圧側が[＋5V＋V_F]、負電圧側が[−5V−V_F]に制限される計算です。

　ショットキーダイオードは比較的V_Fが低いので、高い保護効果が得られます。Rにはアンプ１の出力電流が流れるので、抵抗値が小さ過ぎるとアンプ１の出力が短絡状態に近くなってしまい、良くありません。オームの法則を使って適切な抵抗値を計算し、無理のない電流値に抑えられるようにしてください。

図3　ダイオード利用の保護回路　（クリックで画像を拡大）

コネクタ入力部の保護にも使える

　図3の例3に示したように、外部からの接続（例えばコネクタを介して外部から信号を取り込む場合）によって流れ込む過電圧からアンプの入力を保護する目的でも、ダイオードを使うことができます。完璧な保護は不可能ですが、かなり効果があります。

　この保護回路は、広く使われており実績もあるものですが、利用する際には注意すべき点もあります。この保護回路をアンプの入力に接続すると、Rの抵抗値とアンプの入力容量Cin、それに並列につながるダイオードの接合容量Cjによってポールが生じてしまい、ローパスフィルタとして機能してしまうのです。そのカットオフ周波数（フィルタで信号が減衰し始める周波数）は、C＝Cin＋Cjとして、1／（2π×R×C)で表わせます。高速信号を扱うアプリケーションでは、特に注意してください。

　ダイオードやトランジスタの接合容量は、電圧に応じて変化するので、AC信号に歪みを加えます（図4参照）。またダイオードにはわずかとはいえ漏れ電流がある（図1参照）ので、逆方向電圧の場合でも電流が漏れてしまいます。高インピーダンスの回路や、高精度の電流−電圧変換器などのアプリケーションでは、これに十分配慮してください。場合によっては、ダイオードを利用した保護回路は使えないこともあります。

図4　入力容量の影響　（クリックで画像を拡大）