克服放大器電氣過(guò)應力問(wèn)題(上)

　　對于運算放大器，用戶(hù)普遍反映的問(wèn)題是：“放大器電壓輸入能否高于電源軌?”一個(gè)系統有多個(gè)電源時(shí)便可能會(huì )出現此類(lèi)問(wèn)題。如果在不同時(shí)間開(kāi)啟這些電源，則系統器件的一個(gè)或多個(gè)引腳容易處于過(guò)壓狀態(tài)。這會(huì )使器件出現電氣過(guò)應力 (EOS)問(wèn)題。如果在不同電源供電時(shí)一個(gè)來(lái)自于“外部世界”或系統獨立部分的信號出現在運放的輸入或輸出端，就會(huì )出現另一種過(guò)應力情況。

　　當我們考慮出現EOS問(wèn)題的放大器時(shí)，可能會(huì )想到靜電放電(ESD)。ESD使放大器引腳面臨短時(shí)、高壓、放電問(wèn)題。第二種(通常會(huì )被人們忽略)過(guò)應力條件是EOS 。EOS使放大器面臨相對于ESD較低的過(guò)壓和電流，但持續時(shí)間更長(cháng)?？赐瓯疚暮?，您就會(huì )對潛在放大器 EOS 狀態(tài)有所了解，并知道解決這一問(wèn)題的方法。利用這種方法，您就能夠設計防止電氣過(guò)應力損壞、穩健的集成電路外部系統。

　　破壞性的靜電放電事件

　　電氣過(guò)應力的一個(gè)明顯起因是ESD。當兩個(gè)物體(body)極為接近，且處于不同靜電位下(幾百伏或數千伏)時(shí)，便存在發(fā)生ESD的可能性。若兩個(gè)物體之間出現傳導路徑，則會(huì )發(fā)生靜電荷轉移。電荷中和以后，便不再放電。

　　芯片處于電路斷開(kāi)(out-of-circuit) 環(huán)境下可能會(huì )發(fā)生ESD。一般而言，我們發(fā)現錯誤地操作IC芯片會(huì )導致ESD發(fā)生，從而帶來(lái)一定的破壞性。ESD發(fā)生在若干分之一秒時(shí)間內(通常不到 250ns)。若電流路徑中幾乎沒(méi)有電阻的話(huà)，則大約數安培的電流將會(huì )流入芯片電路。

　　數十年前，半導體電路常常遭受ESD帶來(lái)的破壞，最終會(huì )導致整個(gè)電路故障，甚至帶來(lái)危害更大的參數降級。然而，一旦ESD的特性為人們了解之后，半導體廠(chǎng)商就開(kāi)始在新的IC設計中實(shí)施保護電路。這些片上保護電路極大地降低了 ESD 對IC芯片產(chǎn)生破壞的可能性。

　　片上ESD保護電路的主要功能是防止PCB(印制電路板)裝配之前和PCB裝配操作帶來(lái)的ESD相關(guān)破壞。此類(lèi)操作期間，低阻抗接地路徑可起到放電路徑的作用，以對IC或周?chē)砻嫠鶐У碾姾蛇M(jìn)行放電。

　　IC安裝到PCB電路板上后，情況便不一樣了。一旦安裝完成，在IC芯片和另一個(gè)板上組件之間便形成了連接。這就大大降低了低阻抗ESD路徑存在的可能性。完成此安裝以后，您極有可能不會(huì )碰到干預內部ESD IC電路的ESD情況。這的確不錯!

　　但是，還有另一種可能性。工作電路的一些狀況可能會(huì )使IC芯片受EOS的影響。在 EOS狀態(tài)下，可能會(huì )無(wú)意中激活ESD電路。EOS的時(shí)滯可能會(huì )比ESD 的時(shí)間要長(cháng)得多。EOS期間電流傳導的強度和持續時(shí)間可能足以在芯片中產(chǎn)生具有危險水平的熱量。在這種極端條件下，芯片會(huì )被迅速破壞而且不可避免，最終損壞電路。

　　電氣過(guò)應力現象

　　不知不覺(jué)地，我們可能正依賴(lài)器件的內部ESD電路在EOS期間提供保護，盡管并非有意讓電路支持這一用途。您可能會(huì )發(fā)現，在施加電力以前您便擁有了一個(gè)可以完美運行的IC(請參見(jiàn)圖1)，然而在施加電力和輸入信號以后該IC突然就被破壞了。EOS可能會(huì )非常劇烈，以至于IC過(guò)熱，從而熔化裸片和封裝材料。圖 2 為此類(lèi)破壞的一個(gè)例子。