放大器電氣過應力EOS問題分析

　　圖 4 輸入過驅動可能會激活 ESD 保護電路圖中翻譯：

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

　　(左圖下)VG1 目標線性信號范圍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信號。總信號振幅超出了放大器的最大規定輸入范圍。一個足夠強的瞬態信號將會觸發運算放大器輸入 ESD 電路。位于該放大器非反相輸入端前面的電阻限制了產生輸入電流的大小。ESD 單元設計旨在極短的時間內安全地傳導數安培電流，該傳導持續時間不超過幾十到數百納秒。當 ESD 單元在 EOS 事件期間激活時，電流傳導的時間取決于 EOS 脈沖或過壓特性。這些相同的 ESD 單元一般可持續處理五到十毫安的電流，當占空比下降時可持續處理的電流安培數會大大增加。在這些條件下，它們可能非常安全并且不受過壓的影響。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安全值范圍內，則該上電行為就有可能會損壞輸入 ESD 保護電路。

　　圖 5 觀察上電過程中的 Vin!圖中翻譯：(右上)在電源斜坡下降時 Iin 過高(Iin excessively high while supply ramps)圖 5 中，電源 (VG2) 在 50ms 內從 0V 斜坡上升到 5V。電源開始斜坡上升 5ms 以后，施加一個 3.5V 的輸入信號 (VG1) 時便可完成上述過程。這種情況下，輸入開始為一個高于正電壓軌的電壓。這便開啟了非反相輸入 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有限制。在這種條件下，一個可能產生破壞作用的電流會流經 ESD 二極管。安裝串聯輸入電阻可保護輸入電路免受此類損壞。在放大器轉換時間內，輸入 (VG1) 迅速達到 3.5V。另一方面，放大器轉換時輸出 (VM1) 達到輸入脈沖峰值。在放大器轉換時間內，該電路創建了一個較大的輸入-輸出壓差。最初，輸入端和輸出端之間的差值為 10V。同時，運算放大器內部電路和反饋元件必須在處理這一時間內流入放大器輸入端 (AM1) 的電流。當放大器輸入經受一個大信號也即快速邊緣脈沖(請參見圖 6)時，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 10V 的峰值矩形脈沖。放大器通過產生一個線性斜坡輸出電壓來響應該脈沖。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 所示的轉換時間內，在輸出達到輸入脈沖峰值要求的時間期間存在一個較大的輸入到輸出電壓差。一開始，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。由于反相輸入一開始便具有與輸出相同的電位，因此在兩個輸入端之間存在 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被施加到輸入晶體管的半導體結點上。這是雙極輸入運算放大器更為嚴重的一個問題。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。一些運算放大器會呈現出輸出反向特性，其伴隨著輸入過驅動(請參見圖 7)。這種現象一般被稱為輸出相位反向。大多數現代運算放大器都不會出現這種現象，但也有一些運算放大器會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說，一般只有當施加的輸入電平超出產品規定的共模電壓 (CMV) 范圍時才會發生。當運算放大器出現輸出相位反向時，需采取預防措施來防止輸入被過驅動。

　　圖 7 輸入過驅動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。由于輸入被進一步過驅動，因此輸出反向持續時間會更長。即使這可能不會損壞放大器，但其也是一種非理想的條件，如果它是屬于機電性質的(即馬達、傳動器等)，則會給負載帶來破壞性的后果。通過在非反相輸入和負電源軌之間放置一個小信號、反偏壓連接的肖特基二極管就可解決這一過驅動問題。應將一個串聯輸入電阻包括在內，以限制流經該二極管的電流。開關電源輸出可能會包含高頻、瞬態能量。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生瞬態過壓條件。如果電源電壓超出放大器的電壓擊穿極限，則 ESD 吸收器件可能會被觸發，從而在電源引腳之間形成一個傳導路徑。

　　圖 8 電源引腳過壓保護圖中翻譯：