放大器電氣過(guò)應(yīng)力EOS問(wèn)題分析

　　圖 4 輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)可能會(huì)激活 ESD 保護(hù)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(biāo)線性信號(hào)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(hào) (VG1) 結(jié)合在一起的計(jì)劃外瞬態(tài)信號(hào)?？傂盘?hào)振幅超出了放大器的最大規(guī)定輸入范圍。一個(gè)足夠強(qiáng)的瞬態(tài)信號(hào)將會(huì)觸發(fā)運(yùn)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(shè)計(jì)旨在極短的時(shí)間內(nèi)安全地傳導(dǎo)數(shù)安培電流，該傳導(dǎo)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)幾十到數(shù)百納秒。當(dāng) ESD 單元在 EOS 事件期間激活時(shí)，電流傳導(dǎo)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(xù)處理五到十毫安的電流，當(dāng)占空比下降時(shí)可持續(xù)處理的電流安培數(shù)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(yīng)用中，在電源電壓施加到放大器以前就出現(xiàn)了輸入信號(hào)(請(qǐng)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(nèi)，則該上電行為就有可能會(huì)損壞輸入 ESD 保護(hù)電路。

　　圖 5 觀察上電過(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(nèi)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(hào) (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(duì)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(hù)輸入電路免受此類損壞。在放大器轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，輸入 (VG1) 迅速達(dá)到 3.5V。另一方面，放大器轉(zhuǎn)換時(shí)輸出 (VM1) 達(dá)到輸入脈沖峰值。在放大器轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，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(yùn)算放大器內(nèi)部電路和反饋元件必須在處理這一時(shí)間內(nèi)流入放大器輸入端 (AM1) 的電流。當(dāng)放大器輸入經(jīng)受一個(gè)大信號(hào)也即快速邊緣脈沖(請(qǐng)參見(jiàn)圖 6)時(shí)，便出現(xiàn)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(hào)對(duì)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)線性斜坡輸出電壓來(lái)響應(yīng)該脈沖。放大器的有限轉(zhuǎn)換率(本例而言，OPA227 轉(zhuǎn)換率等于 2V/us)規(guī)定了輸出電壓的特性。

　　圖 6 輸入轉(zhuǎn)換期間輸入到輸入的應(yīng)力圖中翻譯：(右上)輸入-輸出壓差(input-output voltage difference)在圖 6 所示的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，在輸出達(dá)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(zhuǎn)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(yùn)算放大器不包括內(nèi)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(dǎo)體結(jié)點(diǎn)上。這是雙極輸入運(yùn)算放大器更為嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)前的現(xiàn)代雙極輸入運(yùn)算放大器差不多都包括保護(hù)鉗位電路。一些運(yùn)算放大器會(huì)呈現(xiàn)出輸出反向特性，其伴隨著輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖 7)。這種現(xiàn)象一般被稱為輸出相位反向。大多數(shù)現(xiàn)代運(yùn)算放大器都不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但也有一些運(yùn)算放大器會(huì)出人意料地存在這一現(xiàn)象。對(duì)于那些具有這種特性的運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，一般只有當(dāng)施加的輸入電平超出產(chǎn)品規(guī)定的共模電壓 (CMV) 范圍時(shí)才會(huì)發(fā)生。當(dāng)運(yùn)算放大器出現(xiàn)輸出相位反向時(shí)，需采取預(yù)防措施來(lái)防止輸入被過(guò)驅(qū)動(dòng)。

　　圖 7 輸入過(guò)驅(qū)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(qū)動(dòng)至負(fù)電源軌以下約 0.5V。輸出電平立刻從負(fù)電壓軌轉(zhuǎn)為正電壓軌。由于輸入被進(jìn)一步過(guò)驅(qū)動(dòng)，因此輸出反向持續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。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(jī)電性質(zhì)的(即馬達(dá)、傳動(dòng)器等)，則會(huì)給負(fù)載帶來(lái)破壞性的后果。通過(guò)在非反相輸入和負(fù)電源軌之間放置一個(gè)小信號(hào)、反偏壓連接的肖特基二極管就可解決這一過(guò)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。應(yīng)將一個(gè)串聯(lián)輸入電阻包括在內(nèi)，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(dǎo)路徑。

　　圖 8 電源引腳過(guò)壓保護(hù)圖中翻譯：