如何利用放大器設計魯棒高性?xún)r(jià)比的解決方案一

當運算放大器的輸入電壓超過(guò)額定輸入電壓范圍，或者在極端情況下，超過(guò)放大器的電源電壓時(shí)，放大器可能發(fā)生故障甚至受損。本文討論過(guò)壓狀況的一些常見(jiàn)原因和影響，為無(wú)保護的放大器增加過(guò)壓保護是如何的麻煩，以及集成過(guò)壓保護的新型放大器如何能為設計工程師提供緊湊、魯棒、透明、高性?xún)r(jià)比的解決方案。

　　所有電子器件的可耐受電壓都有一個(gè)上限，超過(guò)上限就會(huì )產(chǎn)生影響，輕則導致工作暫時(shí)中斷或系統閂鎖，重則造成永久性損害。特定器件能夠耐受的過(guò)壓量取決于多個(gè)因素，包括是否安裝或意外接觸器件、過(guò)壓事件的幅度和持續時(shí)間、器件的魯棒性等。

　　精密放大器常常是傳感器測量信號鏈中的第一個(gè)器件，因而最容易受到過(guò)壓故障的影響。選擇精密放大器時(shí)，系統設計師必須了解放大器的 共模輸入范圍 。在數據手冊中，共模輸入范圍可能是用輸入電壓范圍 (IVR), 測試條件下的 共模抑制比 (CMRR),或以上二者來(lái)規定。.

　　過(guò)壓狀況的實(shí)際原因

　　放大器需要兩種保護：一是過(guò)壓保護 用以防止電源時(shí)序控制、休眠模式切換和電壓尖峰引起的故障;二是 ESD 靜電放電)保護，用以防止靜電放電 (甚至搬運過(guò)程中也可能出現靜電放電),引起的故障。 安裝后, 器件可能會(huì )受系統電源時(shí)序控制，導致重復性過(guò)壓應力。系統設計師必須想方設法使故障電流避開(kāi)敏感的器件，或者限制故障電流，使其不致于損壞器件。

　　在有多個(gè)電源電壓的復雜分布式電源架構 (DPA)系統中, 電源時(shí)序控制可以使系統電路各部分的電源在不同的時(shí)間開(kāi)啟和關(guān)閉。時(shí)序控制不當可能會(huì )導致某個(gè)器件的某個(gè)引腳發(fā)生過(guò)壓或閂鎖狀況。

　　隨著(zhù)人們越來(lái)越關(guān)注能源效率，許多系統要求實(shí)現復雜的休眠 和待機 模式。這意味著(zhù)，在系統的某些部分已關(guān)斷的同時(shí)，其它部分仍然可能處于上電和活動(dòng)狀態(tài)。與電源時(shí)序控制一樣，這些情況可能會(huì )導致無(wú)法預測的過(guò)壓事件，但主要是在輸入引腳上。

　　許多類(lèi)型的傳感器會(huì )產(chǎn)生意想不到的、與它們要測量的物理現象無(wú)關(guān)的輸出尖峰，這類(lèi)過(guò)壓狀況一般僅影響輸入引腳。

　　靜電放電是一種廣為人知的過(guò)壓事件，常常發(fā)生在安裝器件之前。它造成的損害非常廣泛，以至于業(yè)界主要規范，如JESD22-A114D, determine how to test and specify the semiconductor’s 等，不得不明確如何測試和規定半導體耐受各類(lèi)ESD事件的能力。幾乎所有半導體產(chǎn)品都包含某種形式的集成保護器件。應用筆記AN-397“標準線(xiàn)性集成電路的電誘發(fā)損壞：最常見(jiàn)起因和防止再發(fā)生的相關(guān)處理,”是一篇很好的參考文獻，詳細討論了這一問(wèn)題。出現高能脈沖時(shí)，ESD單元應進(jìn)入低阻抗狀態(tài)。這不會(huì )限制輸入電流，但能提供到供電軌的低阻抗路徑。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的案例研究：電源時(shí)序控制

　　隨著(zhù)混合信號電路變得無(wú)處不在，單一PCB上的多電源需求也變得非常普遍。關(guān)于新設計需要考慮的一些微妙問(wèn)題，特別是需要許多不相關(guān)的電源時(shí)，請參閱應用筆記AN-932 “電源時(shí)序控制,”.

　　精密放大器可能會(huì )成為這種狀況的受害者。圖1顯示了一個(gè)配置成差分放大器的運算放大器。放大器通過(guò)RSENSE 檢測電流，并提供與相應壓降成比例的輸出。必須采取措施，確保由R3和R4構成的分壓器將輸入偏置在額定IVR范圍內的某處。如果放大器的電源電壓不是從VSY, 獲得,并且VCC在VSY,之后出現，則A1反相輸入端的電壓為：

　　V– = VSY – (I– × R1) (1)

　　其中I–由無(wú)電源時(shí)A1的輸入阻抗決定。如果放大器不包含過(guò)壓處理設計，則最有可能的電流路徑是通過(guò)ESD二極管、箝位二極管或寄生二極管流向電源或地。如果此電壓超出IVR范圍，或者電流超過(guò)數據手冊規定的