放大器電氣過(guò)應力EOS問(wèn)題分析

　　圖 4 輸入過(guò)驅動(dòng)可能會(huì )激活 ESD 保護電路圖中翻譯：

　　(左圖上)VG2無(wú)意瞬態(tài)、噪聲、沖擊等(VG2 unintended transients, noise impulses, etc.)

　　(左圖下)VG1 目標線(xiàn)性信號范圍VP=2.25.f=100Hz(VG1 intended linear range signal)

　　(右圖下)VG1+VG2 的和可以在峰值激活 ESD 電路(VG1+VG2 sum may activate ESD circuit on peaks)VG2 是與變送器輸出信號 (VG1) 結合在一起的計劃外瞬態(tài)信號?？傂盘栒穹隽?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/放大器">放大器的最大規定輸入范圍。一個(gè)足夠強的瞬態(tài)信號將會(huì )觸發(fā)運算放大器輸入 ESD 電路。位于該放大器非反相輸入端前面的電阻限制了產(chǎn)生輸入電流的大小。ESD 單元設計旨在極短的時(shí)間內安全地傳導數安培電流，該傳導持續時(shí)間不超過(guò)幾十到數百納秒。當 ESD 單元在 EOS 事件期間激活時(shí)，電流傳導的時(shí)間取決于 EOS 脈沖或過(guò)壓特性。這些相同的 ESD 單元一般可持續處理五到十毫安的電流，當占空比下降時(shí)可持續處理的電流安培數會(huì )大大增加。在這些條件下，它們可能非常安全并且不受過(guò)壓的影響。在一些應用中，在電源電壓施加到放大器以前就出現了輸入信號(請參見(jiàn)圖 5)。該圖是使用 TINA 軟件工具和 OPA374 宏模型生成的。如果未將電流限制在一個(gè)安全值范圍內，則該上電行為就有可能會(huì )損壞輸入 ESD 保護電路。

　　圖 5 觀(guān)察上電過(guò)程中的 Vin!圖中翻譯：(右上)在電源斜坡下降時(shí) Iin 過(guò)高(Iin excessively high while supply ramps)圖 5 中，電源 (VG2) 在 50ms 內從 0V 斜坡上升到 5V。電源開(kāi)始斜坡上升 5ms 以后，施加一個(gè) 3.5V 的輸入信號 (VG1) 時(shí)便可完成上述過(guò)程。這種情況下，輸入開(kāi)始為一個(gè)高于正電壓軌的電壓。這便開(kāi)啟了非反相輸入 ESD 二極管。電流從非反相輸入端 (AM1) 流出，直到電源和輸入端之間的壓差低于約 0.6V 為止。若該輸入源為低阻抗并且可提供電流，則在電路中幾乎對其沒(méi)有限制。在這種條件下，一個(gè)可能產(chǎn)生破壞作用的電流會(huì )流經(jīng) ESD 二極管。安裝串聯(lián)輸入電阻可保護輸入電路免受此類(lèi)損壞。在放大器轉換時(shí)間內，輸入 (VG1) 迅速達到 3.5V。另一方面，放大器轉換時(shí)輸出 (VM1) 達到輸入脈沖峰值。在放大器轉換時(shí)間內，該電路創(chuàng )建了一個(gè)較大的輸入-輸出壓差。最初，輸入端和輸出端之間的差值為 10V。同時(shí)，運算放大器內部電路和反饋元件必須在處理這一時(shí)間內流入放大器輸入端 (AM1) 的電流。當放大器輸入經(jīng)受一個(gè)大信號也即快速邊緣脈沖(請參見(jiàn)圖 6)時(shí)，便出現另一種潛在破壞情況。該圖是使用 TINA 軟件工具和 OPA277 宏模型生成的。在這種情況下，VG1 的信號對輸入施加了一個(gè) 10V 的峰值矩形脈沖。放大器通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性斜坡輸出電壓來(lái)響應該脈沖。放大器的有限轉換率(本例而言，OPA227 轉換率等于 2V/us)規定了輸出電壓的特性。

　　圖 6 輸入轉換期間輸入到輸入的應力圖中翻譯：(右上)輸入-輸出壓差(input-output voltage difference)在圖 6 所示的轉換時(shí)間內，在輸出達到輸入脈沖峰值要求的時(shí)間期間存在一個(gè)較大的輸入到輸出電壓差。一開(kāi)始，放大器輸入端和輸出端之間的壓差為 10V。放大器轉換至其最終水平后該壓差隨之降低。由于反相輸入一開(kāi)始便具有與輸出相同的電位，因此在兩個(gè)輸入端之間存在 10V 壓差。若運算放大器不包括內部輸入到輸入鉗位功能，則破壞性電壓電平可能會(huì )被施加到輸入晶體管的半導體結點(diǎn)上。這是雙極輸入運算放大器更為嚴重的一個(gè)問(wèn)題。當前的現代雙極輸入運算放大器差不多都包括保護鉗位電路。一些運算放大器會(huì )呈現出輸出反向特性，其伴隨著(zhù)輸入過(guò)驅動(dòng)(請參見(jiàn)圖 7)。這種現象一般被稱(chēng)為輸出相位反向。大多數現代運算放大器都不會(huì )出現這種現象，但也有一些運算放大器會(huì )出人意料地存在這一現象。對于那些具有這種特性的運算放大器來(lái)說(shuō)，一般只有當施加的輸入電平超出產(chǎn)品規定的共模電壓 (CMV) 范圍時(shí)才會(huì )發(fā)生。當運算放大器出現輸出相位反向時(shí)，需采取預防措施來(lái)防止輸入被過(guò)驅動(dòng)。

　　圖 7 輸入過(guò)驅動(dòng)期間的輸出反向圖中翻譯：(右)輸出反向(output inversion)在圖7中，放大器輸入端 (VG1) 將被驅動(dòng)至負電源軌以下約 0.5V。輸出電平立刻從負電壓軌轉為正電壓軌。由于輸入被進(jìn)一步過(guò)驅動(dòng)，因此輸出反向持續時(shí)間會(huì )更長(cháng)。即使這可能不會(huì )損壞放大器，但其也是一種非理想的條件，如果它是屬于機電性質(zhì)的(即馬達、傳動(dòng)器等)，則會(huì )給負載帶來(lái)破壞性的后果。通過(guò)在非反相輸入和負電源軌之間放置一個(gè)小信號、反偏壓連接的肖特基二極管就可解決這一過(guò)驅動(dòng)問(wèn)題。應將一個(gè)串聯(lián)輸入電阻包括在內，以限制流經(jīng)該二極管的電流。開(kāi)關(guān)電源輸出可能會(huì )包含高頻、瞬態(tài)能量。即使這些電源中包括了濾波，但輸出端上的電壓“峰值”仍可在放大器的電源引腳上產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)壓條件。如果電源電壓超出放大器的電壓擊穿極限，則 ESD 吸收器件可能會(huì )被觸發(fā)，從而在電源引腳之間形成一個(gè)傳導路徑。

　　圖 8 電源引腳過(guò)壓保護圖中翻譯：