探索供應電源關(guān)閉時(shí)的‘Off-amps’問(wèn)題

除了靜電放電(ESD)測試以外，放大器的所有特性都是以電源開(kāi)啟的狀態(tài)下所呈現的，因此，當電源供應關(guān)閉時(shí)，放大器所呈現性能的問(wèn)題──‘離線(xiàn)放大器’(off-amps)，并不是件容易事先預測的事情。要回答關(guān)于off-amp的問(wèn)題，必須對放大器內部的晶體管位準運作、off-amp在無(wú)電源下要如何運作、連結至off-amp的外部電路為何、以及該外圍電路在無(wú)電源下要如何運作等都有詳盡了解。
我所接到的多數off-amp問(wèn)題都與電壓有關(guān)，但不是供應電壓。此處的電壓通常是應用于off-amp輸入或輸出的電壓。想要節省電源，使用者必須選擇性地關(guān)閉系統中的某些部份。此舉常常會(huì )使電壓被應用到系統中的未通電部份。使用者通常會(huì )想知道off-amp對于此迷走電壓(errant voltage)將會(huì )有何種反應，同時(shí)他們應當要采取何種預防措施，以確保off-amp的安全性。

想要知道如何保護off-amp，首先須注意ESD保護二極管，它是放大器保護措施的最前線(xiàn)。ESD二極管可以保護放大器，使其免于短期間的高電壓，但假如通過(guò)二極管的電流未被限制，就可能因為長(cháng)時(shí)間處于較低的dc電壓而使其受損或被破壞。圖1為具有ESD保護二極管的典型運算放大器(op amp)。

圖1：off-amp中從+IN到供應極的電流路徑。

從D1到D7的二極管構成了放大器ESD保護網(wǎng)絡(luò )。位處來(lái)自于另一組保護網(wǎng)絡(luò )±IN之間虛線(xiàn)內的二極管，可保護放大器的輸入級不會(huì )遭遇過(guò)電壓情況。處于反向并聯(lián)(anti-parallel)網(wǎng)絡(luò )中的串聯(lián)二極管數量會(huì )隨放大器的不同而改變。要估計介于放大器輸入之間的二極管數量，可參考該放大器數據表中絕對最大額定參數表格當中的差動(dòng)輸入電壓。

當放大器的電源供應被關(guān)閉時(shí)，處于±IN上的電壓就可以啟動(dòng)從D1至D4的二極管。圖1展示了從+IN通過(guò)保護二極管，一直到供應極的電流路徑，假設接地的回返路徑存在時(shí)。紅色的走線(xiàn)所代表的是正電壓通往+Vs的路徑；藍色走線(xiàn)所代表的則是負電壓通往-Vs的路徑。當有電壓出現在off-amp之輸出時(shí)，就可以描繪從輸出經(jīng)過(guò)D6與D7二極管至供應極的類(lèi)似路徑。而最重要的安全預防措施就是對進(jìn)入off-amp接腳的電流加以限制。

缺少電流限制，二極管及放大器可能會(huì )受損或被破壞。通常我們建議將進(jìn)入到任何放大器接腳的電流限制在5mA或更低。而一般須追加一組串聯(lián)電阻。圖2為限流的off-amp架構。在正常運作下，Rs只會(huì )對整體電路功能產(chǎn)生很小影響。假設在±Vs接腳都接地的最差情況下，可用下列方程式計算出Rs：

圖2：加以電流限制的放大器。

另一個(gè)最近關(guān)于off-amp的問(wèn)題則是與場(chǎng)效晶體管輸入放大器有關(guān)，使用者想要知道在非反相輸入的情況下，被設定為單一增益的off-amp是否還能夠產(chǎn)生高輸入阻抗至dc電壓。

就像外交官常說(shuō)的，我的答案是：“是的，但也不是”。off-amp輸入對低于0.6V的電壓產(chǎn)生了高輸入阻抗，這是因為ESD二極管的導通至少需要0.6V。在沒(méi)有導通路徑的情況下，輸入仍然可以呈現高阻抗的狀態(tài)。然而，假如輸入電壓大于0.6V時(shí)，電流就會(huì )開(kāi)始流經(jīng)ESD二極管以及off-amp內部的其它潛藏路徑。想要限制位于D3電流的流動(dòng)，就得利用上述的方程式求解Rs。在off-amp輸入上施加4V電壓，在更壞情況下，Rs至少要達到680奧姆。

在這些應用領(lǐng)域中，反極性(reverse polarity)保護將會(huì )有所幫助。反極性保護能夠確保電路安全，即使是將錯誤的極性供應電源連接到系統偏壓接腳上。采用反極性保護是一個(gè)簡(jiǎn)單、低成本的保險策略，它僅需使用一對二極管。若施加正確的電源供應極性，二極管為正向偏壓，電路就會(huì )如預期般運作。若施加反向電源供應極，二極管為反向偏壓。此時(shí)電流無(wú)法通過(guò)，電路因而受到保護。圖3為具有反極性保護二極管的放大器。

圖3：具有反極性保護的運算放大器。[next]

反極性保護二極管也允許在較大輸入范圍之上實(shí)現高輸入阻抗，這是因為二極管加入了一組額外的電壓降，此電壓降必須在電流開(kāi)始流動(dòng)前先加以克服。藉由使用外接二極管RPD1，可輕易避免電流通過(guò)D3流到+Vs接腳。對正電壓而言，RPD1是反向偏壓，可避免電流通過(guò)D3。電流不會(huì )經(jīng)由反向偏壓ESD二極管D4從輸入流到負軌，但它會(huì )尋找另一條通過(guò)FET輸入級PN結的路徑。二極管RPD2會(huì )形成額外的電壓位障，在任何的電流通過(guò)前，都必須克服此電壓勢壘。

圖4所示為用來(lái)量測off-amp輸入阻抗的測試電路。注意到Rs比方程式中所需要的更大。較大的電阻甚至會(huì )對電流產(chǎn)生限制，目前該測試電路已在實(shí)驗室中實(shí)現了。

圖4：off-amp輸入阻抗測試電路。

圖5所示為沒(méi)有反極性保護二極管時(shí)FET off-amp的輸入阻抗。輸入阻抗會(huì )隨著(zhù)升高的偏壓而降低，使D3更難以開(kāi)啟。

圖5：沒(méi)有反極性保護二極管時(shí)，off-amp的輸入阻抗。

圖6為兩種帶有適當反極性保護之不同負載條件的輸入組抗。注意圖6中的Y軸采用MΩ而非圖5中的KΩ。反極性保護二極管提供了三階的振幅改善。斷點(diǎn)所代表的是off-amp中，隨著(zhù)輸入電壓提高而被啟動(dòng)的不同結點(diǎn)。反極性保護二極管可以針對斷點(diǎn)協(xié)助升高閾值。在此處應用中，負載阻抗值是一項重要考慮。一組被加載至接地的低阻抗分流器會(huì )替電流的流動(dòng)提供并聯(lián)的低阻抗路徑，而且讓這個(gè)方法變成無(wú)效。因此，使用者必須了解off-amp在無(wú)電源下會(huì )有什么樣的動(dòng)作，以及相連結的電路會(huì )如何運作。

圖6：具有反極性保護二極管時(shí)，off-amp的輸入阻抗。

探索off-amp是一項挑戰，因為必須考慮許多因素。放大器的類(lèi)型、外圍電路、以及輸入與輸出電壓都相當重要。保護off-amp的最好方法，就是確保任何會(huì )接觸到off-amp電路的電源都能夠同時(shí)關(guān)閉。若難以實(shí)現，就必須確保進(jìn)入off-amp的電流能有所限制。如果你需要額外的協(xié)助，請務(wù)必與應用工程師共同檢查。