探索供應(yīng)電源關(guān)閉時的‘Off-amps’問題

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啟的狀態(tài)下所呈現(xiàn)的，因此，當(dāng)電源供應(yīng)關(guān)閉時，放大器所呈現(xiàn)性能的問題──‘離線放大器’(off-amps)，并不是件容易事先預(yù)測的事情。要回答關(guān)于off-amp的問題，必須對放大器內(nèi)部的晶體管位準(zhǔn)運作、off-amp在無電源下要如何運作、連結(jié)至off-amp的外部電路為何、以及該外圍電路在無電源下要如何運作等都有詳盡了解。
我所接到的多數(shù)off-amp問題都與電壓有關(guān)，但不是供應(yīng)電壓。此處的電壓通常是應(yīng)用于off-amp輸入或輸出的電壓。想要節(jié)省電源，使用者必須選擇性地關(guān)閉系統(tǒng)中的某些部份。此舉常常會使電壓被應(yīng)用到系統(tǒng)中的未通電部份。使用者通常會想知道off-amp對于此迷走電壓(errant voltage)將會有何種反應(yīng)，同時他們應(yīng)當(dāng)要采取何種預(yù)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。ESD二極管可以保護放大器，使其免于短期間的高電壓，但假如通過二極管的電流未被限制，就可能因為長時間處于較低的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(yīng)極的電流路徑。

從D1到D7的二極管構(gòu)成了放大器ESD保護網(wǎng)絡(luò)。位處來自于另一組保護網(wǎng)絡(luò)±IN之間虛線內(nèi)的二極管，可保護放大器的輸入級不會遭遇過電壓情況。處于反向并聯(lián)(anti-parallel)網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)二極管數(shù)量會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(shù)量，可參考該放大器數(shù)據(jù)表中絕對最大額定參數(shù)表格當(dāng)中的差動輸入電壓。

當(dāng)放大器的電源供應(yīng)被關(guān)閉時，處于±IN上的電壓就可以啟動從D1至D4的二極管。圖1展示了從+IN通過保護二極管，一直到供應(yīng)極的電流路徑，假設(shè)接地的回返路徑存在時。紅色的走線所代表的是正電壓通往+Vs的路徑；藍色走線所代表的則是負電壓通往-Vs的路徑。當(dāng)有電壓出現(xiàn)在off-amp之輸出時，就可以描繪從輸出經(jīng)過D6與D7二極管至供應(yīng)極的類似路徑。而最重要的安全預(yù)防措施就是對進入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受損或被破壞。通常我們建議將進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(gòu)。在正常運作下，Rs只會對整體電路功能產(chǎn)生很小影響。假設(shè)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。

另一個最近關(guān)于off-amp的問題則是與場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(shè)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(dǎo)通至少需要0.6V。在沒有導(dǎo)通路徑的情況下，輸入仍然可以呈現(xiàn)高阻抗的狀態(tài)。然而，假如輸入電壓大于0.6V時，電流就會開始流經(jīng)ESD二極管以及off-amp內(nèi)部的其它潛藏路徑。想要限制位于D3電流的流動，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(yīng)用領(lǐng)域中，反極性(reverse polarity)保護將會有所幫助。反極性保護能夠確保電路安全，即使是將錯誤的極性供應(yīng)電源連接到系統(tǒng)偏壓接腳上。采用反極性保護是一個簡單、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(yīng)極性，二極管為正向偏壓，電路就會如預(yù)期般運作。若施加反向電源供應(yīng)極，二極管為反向偏壓。此時電流無法通過，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現(xiàn)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始流動前先加以克服。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D3。電流不會經(jīng)由反向偏壓ESD二極管D4從輸入流到負軌，但它會尋找另一條通過FET輸入級PN結(jié)的路徑。二極管RPD2會形成額外的電壓位障，在任何的電流通過前，都必須克服此電壓勢壘。

圖4所示為用來量測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?xí)﹄娏鳟a(chǎn)生限制，目前該測試電路已在實驗室中實現(xiàn)了。

圖4：off-amp輸入阻抗測試電路。

圖5所示為沒有反極性保護二極管時FET off-amp的輸入阻抗。輸入阻抗會隨著升高的偏壓而降低，使D3更難以開啟。

圖5：沒有反極性保護二極管時，off-amp的輸入阻抗。

圖6為兩種帶有適當(dāng)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。斷點所代表的是off-amp中，隨著輸入電壓提高而被啟動的不同結(jié)點。反極性保護二極管可以針對斷點協(xié)助升高閾值。在此處應(yīng)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替電流的流動提供并聯(lián)的低阻抗路徑，而且讓這個方法變成無效。因此，使用者必須了解off-amp在無電源下會有什么樣的動作，以及相連結(jié)的電路會如何運作。

圖6：具有反極性保護二極管時，off-amp的輸入阻抗。

探索off-amp是一項挑戰(zhàn)，因為必須考慮許多因素。放大器的類型、外圍電路、以及輸入與輸出電壓都相當(dāng)重要。保護off-amp的最好方法，就是確保任何會接觸到off-amp電路的電源都能夠同時關(guān)閉。若難以實現(xiàn)，就必須確保進入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(yīng)用工程師共同檢查。