1典型運算放大器增加過(guò)壓保護案例：電源時(shí)序控

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。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。

　　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)數據手冊規定的額定最大值，器件可能會(huì )受損。

　　ADA4091和ADA4096， 等過(guò)壓保護放大器所用的ESD結構不是二極管，而是DIAC 器件（雙向“交流二極管”），這使得此類(lèi)放大器即使沒(méi)有電源也能承受過(guò)壓狀況。

運算放大器中的故障狀況

　　當開(kāi)環(huán)放大器在其額定IVR范圍內時(shí)，差分輸入信號 （VIN+– VIN–）與VDIFF.180度異相。連接為單位增益緩沖器時(shí)（如圖所示），如果VIN+的共模電壓超過(guò)放大器的IVRJ1’的柵極-漏極進(jìn)入未夾斷狀態(tài)并傳導整個(gè)200μA級電流。只要J1’的柵極-漏極電壓仍然反向偏置VIN+的進(jìn)一步增加就不會(huì )導致 VDIFF變化 （VOUT仍然處于正供電軌）。 然而，一旦J1’的柵極-漏極變?yōu)檎?，VIN+的進(jìn)一步增加就會(huì )提高A1反相輸入端的電壓，導致輸入信號與VDIFF之間發(fā)生不需要的反相。

　　CMOS放大器的柵極與漏極電隔離，一般不會(huì )發(fā)生反相。如果確實(shí)會(huì )發(fā)生反相，運算放大器制造商一般會(huì )在數據手冊中說(shuō)明。下列條件下可能發(fā)生反相：放大器輸入端不是CMOS，最大差分輸入為VSY， 數據手冊未聲明不會(huì )發(fā)生反相。雖然反相本身不是破壞性的，但它能導致正反饋，進(jìn)而使伺服環(huán)路不穩定。

　　系統設計師還必須關(guān)注放大器輸入超出電源范圍時(shí)會(huì )發(fā)生什么。這種故障狀況通常發(fā)生在電源時(shí)序控制導致一個(gè)源信號先于放大器電源激活時(shí)，或者在開(kāi)啟、關(guān)閉或工作中電源出現尖峰時(shí)。對于大多數放大器，這種狀況是破壞性的，尤其是如果過(guò)壓大于二極管壓降。

　　這些二極管的源極阻抗非常低，源極支持多少電流，二極管就能傳導多少電流。精密放大器AD8622提供少許差分保護，輸入端串聯(lián)500 Ω電阻，施加差分電壓時(shí)，該電阻可限制輸入電流，但它只能在輸入電流不超過(guò)額定最大值時(shí)提供保護。如果最大輸入電流為5 mA，則允許的最大差分電壓為5 V。注意，這些電阻并不與ESD二極管串聯(lián)，因而無(wú)法限制流向電源軌的電流（例如在過(guò)壓期間）。

　　一旦施加的電壓超過(guò)二極管壓降，電流就可能損害、降低運算放大器的性能，甚至破壞運算放大器。

　　外部輸入過(guò)壓保護

　　從半導體運算放大器問(wèn)世之初，IC設計師就不得不權衡芯片架構與應對其脆弱性所需的外部電路之間的關(guān)系。系統設計師之所以需要精密運算放大器，是因為它有兩個(gè)重要特性：低失調電壓（VOS）和高共模抑制比（CMRR），這兩個(gè)特性能夠簡(jiǎn)化校準并使動(dòng)態(tài)誤差最小。為在存在電氣過(guò)應力（EOS）的情況下保持這些特性，雙極性運算放大器經(jīng)常內置箝位二極管，并將小限流電阻與其輸入端串聯(lián)，但這些措施無(wú)法應對輸入電壓超過(guò)供電軌時(shí)引起的故障狀況。為了增加保護，系統設計師可以采用圖6所示的電路。

　　圖6：利用限流電阻和兩個(gè)肖特基二極管提供外部保護的精密運算放大器。RFB與ROVP相等，從而平衡輸入偏置電流引起的失調

　　如果VIN處的信號源先行上電，ROVP將限制流入運算放大器的電流。肖特基二極管的正向電壓比典型的小信號二極管低200 mV，因此所有過(guò)壓電流都會(huì )通過(guò)外部二極管D1和D2.分流。然而，這些二極管可能會(huì )降低運算放大器的性能。例如，可以利用1N5711的反向漏電流曲線(xiàn)（見(jiàn)圖7）來(lái)確定特定過(guò)壓保護電阻造成的CMRR損失。1N5711在0 V時(shí)的反向漏電流為0 nA，在30 V時(shí)為60 nA。對于0 V共模電壓， D1和D2引起的額外IOS取決于其漏電流的匹配程度。當V被拉至+15 V時(shí)，D1將反向偏置30 V，D2將偏置0 V。因此，額外的60 nA電流流入ROVP.當輸入被拉至–15 V時(shí)，D1和D2的電氣位置交換，60 nA電流流出OVP. 在任意共模電壓下，保護二極管引起的額外IOS等于：

　　IOSaddr = ID1– ID2 （2）

　　由公式2可計算出極端共模電壓下的VOS損失：

　　VOSpenalty = IOSaddr× ROVP （3）