1典型運算放大器增加過壓保護案例：電源時序控

當運算放大器的輸入電壓超過額定輸入電壓范圍，或者在極端情況下，超過放大器的電源電壓時，放大器可能發(fā)生故障甚至受損。本文討論過壓狀況的一些常見原因和影響，為無保護的放大器增加過壓保護是如何的麻煩，以及集成過壓保護的新型放大器如何能為設(shè)計工程師提供緊湊、魯棒、透明、高性價比的解決方案。

　　所有電子器件的可耐受電壓都有一個上限，超過上限就會產(chǎn)生影響，輕則導(dǎo)致工作暫時中斷或系統(tǒng)閂鎖，重則造成永久性損害。特定器件能夠耐受的過壓量取決于多個因素，包括是否安裝或意外接觸器件、過壓事件的幅度和持續(xù)時間、器件的魯棒性等。

　　精密放大器常常是傳感器測量信號鏈中的第一個器件，因而最容易受到過壓故障的影響。選擇精密放大器時，系統(tǒng)設(shè)計師必須了解放大器的共模輸入范圍 。在數(shù)據(jù)手冊中，共模輸入范圍可能是用輸入電壓范圍 （IVR）， 測試條件下的 共模抑制比 （CMRR），或以上二者來規(guī)定。

　　過壓狀況的實際原因

　　放大器需要兩種保護：一是過壓保護 用以防止電源時序控制、休眠模式切換和電壓尖峰引起的故障；二是ESD靜電放電）保護，用以防止靜電放電 （甚至搬運過程中也可能出現(xiàn)靜電放電），引起的故障。 安裝后， 器件可能會受系統(tǒng)電源時序控制，導(dǎo)致重復(fù)性過壓應(yīng)力。系統(tǒng)設(shè)計師必須想方設(shè)法使故障電流避開敏感的器件，或者限制故障電流，使其不致于損壞器件。

　　在有多個電源電壓的復(fù)雜分布式電源架構(gòu) （DPA）系統(tǒng)中， 電源時序控制可以使系統(tǒng)電路各部分的電源在不同的時間開啟和關(guān)閉。時序控制不當可能會導(dǎo)致某個器件的某個引腳發(fā)生過壓或閂鎖狀況。

　　隨著人們越來越關(guān)注能源效率，許多系統(tǒng)要求實現(xiàn)復(fù)雜的休眠 和待機 模式。這意味著，在系統(tǒng)的某些部分已關(guān)斷的同時，其它部分仍然可能處于上電和活動狀態(tài)。與電源時序控制一樣，這些情況可能會導(dǎo)致無法預(yù)測的過壓事件，但主要是在輸入引腳上。

　　許多類型的傳感器會產(chǎn)生意想不到的、與它們要測量的物理現(xiàn)象無關(guān)的輸出尖峰，這類過壓狀況一般僅影響輸入引腳。

　　靜電放電是一種廣為人知的過壓事件，常常發(fā)生在安裝器件之前。它造成的損害非常廣泛，以至于業(yè)界主要規(guī)范，如JESD22-A114D， determine how to test and specify the semiconductor’s 等，不得不明確如何測試和規(guī)定半導(dǎo)體耐受各類ESD事件的能力。幾乎所有半導(dǎo)體產(chǎn)品都包含某種形式的集成保護器件。出現(xiàn)高能脈沖時，ESD單元應(yīng)進入低阻抗狀態(tài)。這不會限制輸入電流，但能提供到供電軌的低阻抗路徑。

　　一個簡單的案例研究：電源時序控制

　　隨著混合信號電路變得無處不在，單一PCB上的多電源需求也變得非常普遍。

　　精密放大器可能會成為這種狀況的受害者。圖1顯示了一個配置成差分放大器的運算放大器。放大器通過RSENSE檢測電流，并提供與相應(yīng)壓降成比例的輸出。必須采取措施，確保由R3和R4構(gòu)成的分壓器將輸入偏置在額定IVR范圍內(nèi)的某處。如果放大器的電源電壓不是從VSY， 獲得，并且VCC在VSY，之后出現(xiàn)，則A1反相輸入端的電壓為：

　　V_ = VSY-（I_ × R1） （1）

　　其中I_ 由無電源時A1的輸入阻抗決定。如果放大器不包含過壓處理設(shè)計，則最有可能的電流路徑是通過ESD二極管、箝位二極管或寄生二極管流向電源或地。如果此電壓超出IVR范圍，或者電流超過數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的額定最大值，器件可能會受損。

　　ADA4091和ADA4096， 等過壓保護放大器所用的ESD結(jié)構(gòu)不是二極管，而是DIAC 器件（雙向“交流二極管”），這使得此類放大器即使沒有電源也能承受過壓狀況。

運算放大器中的故障狀況

　　當開環(huán)放大器在其額定IVR范圍內(nèi)時，差分輸入信號 （VIN+– VIN–）與VDIFF.180度異相。連接為單位增益緩沖器時（如圖所示），如果VIN+的共模電壓超過放大器的IVRJ1’的柵極-漏極進入未夾斷狀態(tài)并傳導(dǎo)整個200μA級電流。只要J1’的柵極-漏極電壓仍然反向偏置VIN+的進一步增加就不會導(dǎo)致 VDIFF變化 （VOUT仍然處于正供電軌）。 然而，一旦J1’的柵極-漏極變?yōu)檎?，VIN+的進一步增加就會提高A1反相輸入端的電壓，導(dǎo)致輸入信號與VDIFF之間發(fā)生不需要的反相。

　　CMOS放大器的柵極與漏極電隔離，一般不會發(fā)生反相。如果確實會發(fā)生反相，運算放大器制造商一般會在數(shù)據(jù)手冊中說明。下列條件下可能發(fā)生反相：放大器輸入端不是CMOS，最大差分輸入為VSY， 數(shù)據(jù)手冊未聲明不會發(fā)生反相。雖然反相本身不是破壞性的，但它能導(dǎo)致正反饋，進而使伺服環(huán)路不穩(wěn)定。

　　系統(tǒng)設(shè)計師還必須關(guān)注放大器輸入超出電源范圍時會發(fā)生什么。這種故障狀況通常發(fā)生在電源時序控制導(dǎo)致一個源信號先于放大器電源激活時，或者在開啟、關(guān)閉或工作中電源出現(xiàn)尖峰時。對于大多數(shù)放大器，這種狀況是破壞性的，尤其是如果過壓大于二極管壓降。

　　這些二極管的源極阻抗非常低，源極支持多少電流，二極管就能傳導(dǎo)多少電流。精密放大器AD8622提供少許差分保護，輸入端串聯(lián)500 Ω電阻，施加差分電壓時，該電阻可限制輸入電流，但它只能在輸入電流不超過額定最大值時提供保護。如果最大輸入電流為5 mA，則允許的最大差分電壓為5 V。注意，這些電阻并不與ESD二極管串聯(lián)，因而無法限制流向電源軌的電流（例如在過壓期間）。

　　一旦施加的電壓超過二極管壓降，電流就可能損害、降低運算放大器的性能，甚至破壞運算放大器。

　　外部輸入過壓保護

　　從半導(dǎo)體運算放大器問世之初，IC設(shè)計師就不得不權(quán)衡芯片架構(gòu)與應(yīng)對其脆弱性所需的外部電路之間的關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計師之所以需要精密運算放大器，是因為它有兩個重要特性：低失調(diào)電壓（VOS）和高共模抑制比（CMRR），這兩個特性能夠簡化校準并使動態(tài)誤差最小。為在存在電氣過應(yīng)力（EOS）的情況下保持這些特性，雙極性運算放大器經(jīng)常內(nèi)置箝位二極管，并將小限流電阻與其輸入端串聯(lián)，但這些措施無法應(yīng)對輸入電壓超過供電軌時引起的故障狀況。為了增加保護，系統(tǒng)設(shè)計師可以采用圖6所示的電路。

　　圖6：利用限流電阻和兩個肖特基二極管提供外部保護的精密運算放大器。RFB與ROVP相等，從而平衡輸入偏置電流引起的失調(diào)

　　如果VIN處的信號源先行上電，ROVP將限制流入運算放大器的電流。肖特基二極管的正向電壓比典型的小信號二極管低200 mV，因此所有過壓電流都會通過外部二極管D1和D2.分流。然而，這些二極管可能會降低運算放大器的性能。例如，可以利用1N5711的反向漏電流曲線（見圖7）來確定特定過壓保護電阻造成的CMRR損失。1N5711在0 V時的反向漏電流為0 nA，在30 V時為60 nA。對于0 V共模電壓， D1和D2引起的額外IOS取決于其漏電流的匹配程度。當V被拉至+15 V時，D1將反向偏置30 V，D2將偏置0 V。因此，額外的60 nA電流流入ROVP.當輸入被拉至–15 V時，D1和D2的電氣位置交換，60 nA電流流出OVP. 在任意共模電壓下，保護二極管引起的額外IOS等于：

　　IOSaddr = ID1– ID2 （2）

　　由公式2可計算出極端共模電壓下的VOS損失：

　　VOSpenalty = IOSaddr× ROVP （3）