克服放大器電氣過應力問題(上)

　　對于運算放大器，用戶普遍反映的問題是：“放大器電壓輸入能否高于電源軌?”一個系統有多個電源時便可能會出現此類問題。如果在不同時間開啟這些電源，則系統器件的一個或多個引腳容易處于過壓狀態。這會使器件出現電氣過應力 (EOS)問題。如果在不同電源供電時一個來自于“外部世界”或系統獨立部分的信號出現在運放的輸入或輸出端，就會出現另一種過應力情況。

　　當我們考慮出現EOS問題的放大器時，可能會想到靜電放電(ESD)。ESD使放大器引腳面臨短時、高壓、放電問題。第二種(通常會被人們忽略)過應力條件是EOS 。EOS使放大器面臨相對于ESD較低的過壓和電流，但持續時間更長。看完本文后，您就會對潛在放大器 EOS 狀態有所了解，并知道解決這一問題的方法。利用這種方法，您就能夠設計防止電氣過應力損壞、穩健的集成電路外部系統。

　　破壞性的靜電放電事件

　　電氣過應力的一個明顯起因是ESD。當兩個物體(body)極為接近，且處于不同靜電位下(幾百伏或數千伏)時，便存在發生ESD的可能性。若兩個物體之間出現傳導路徑，則會發生靜電荷轉移。電荷中和以后，便不再放電。

　　芯片處于電路斷開(out-of-circuit) 環境下可能會發生ESD。一般而言，我們發現錯誤地操作IC芯片會導致ESD發生，從而帶來一定的破壞性。ESD發生在若干分之一秒時間內(通常不到 250ns)。若電流路徑中幾乎沒有電阻的話，則大約數安培的電流將會流入芯片電路。

　　數十年前，半導體電路常常遭受ESD帶來的破壞，最終會導致整個電路故障，甚至帶來危害更大的參數降級。然而，一旦ESD的特性為人們了解之后，半導體廠商就開始在新的IC設計中實施保護電路。這些片上保護電路極大地降低了 ESD 對IC芯片產生破壞的可能性。

　　片上ESD保護電路的主要功能是防止PCB(印制電路板)裝配之前和PCB裝配操作帶來的ESD相關破壞。此類操作期間，低阻抗接地路徑可起到放電路徑的作用，以對IC或周圍表面所帶的電荷進行放電。

　　IC安裝到PCB電路板上后，情況便不一樣了。一旦安裝完成，在IC芯片和另一個板上組件之間便形成了連接。這就大大降低了低阻抗ESD路徑存在的可能性。完成此安裝以后，您極有可能不會碰到干預內部ESD IC電路的ESD情況。這的確不錯!

　　但是，還有另一種可能性。工作電路的一些狀況可能會使IC芯片受EOS的影響。在 EOS狀態下，可能會無意中激活ESD電路。EOS的時滯可能會比ESD 的時間要長得多。EOS期間電流傳導的強度和持續時間可能足以在芯片中產生具有危險水平的熱量。在這種極端條件下，芯片會被迅速破壞而且不可避免，最終損壞電路。

　　電氣過應力現象

　　不知不覺地，我們可能正依賴器件的內部ESD電路在EOS期間提供保護，盡管并非有意讓電路支持這一用途。您可能會發現，在施加電力以前您便擁有了一個可以完美運行的IC(請參見圖1)，然而在施加電力和輸入信號以后該IC突然就被破壞了。EOS可能會非常劇烈，以至于IC過熱，從而熔化裸片和封裝材料。圖 2 為此類破壞的一個例子。