所(suo)有(you)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)的(de)可(ke)耐(nai)受(shou)電(dian)壓(ya)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)上(shang)限(xian)，超(chao)過(guo)上(shang)限(xian)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)，輕(qing)則(ze)導(dao)致(zhi)工(gong)作(zuo)暫(zan)時(shi)中(zhong)斷(duan)或(huo)係(xi)統(tong)閂(shuan)鎖(suo)，重(zhong)則(ze)造(zao)成(cheng)永(yong)久(jiu)性(xing)損(sun)害(hai)。特(te)定(ding)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)耐(nai)受(shou)的(de)過(guo)壓(ya)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)多(duo)個(ge)因(yin)素(su)，包(bao)括(kuo)是(shi)否(fou)安(an)裝(zhuang)或(huo)意(yi)外(wai)接(jie)觸(chu)器(qi)件(jian)、過壓事件的幅度和持續時間、器件的魯棒性等。

 

精jing密mi放fang大da器qi常chang常chang是shi傳chuan感gan器qi測ce量liang信xin號hao鏈lian中zhong的de第di一yi個ge器qi件jian，因yin而er最zui容rong易yi受shou到dao過guo壓ya故gu障zhang的de影ying響xiang。選xuan擇ze精jing密mi放fang大da器qi時shi，係xi統tong設she計ji師shi必bi須xu了le解jie放fang大da器qi的de共gong模mo輸shu入ru範fan圍wei。在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong，共gong模mo輸shu入ru範fan圍wei可ke能neng是shi用yong輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei(I_VR), 測試條件下的共模抑製比(CMRR),或以上二者來規定。.

 

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製
、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靜電放電),引起的故障。 安裝後, 器(qi)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)受(shou)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)，導(dao)致(zhi)重(zhong)複(fu)性(xing)過(guo)壓(ya)應(ying)力(li)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)必(bi)須(xu)想(xiang)方(fang)設(she)法(fa)使(shi)故(gu)障(zhang)電(dian)流(liu)避(bi)開(kai)敏(min)感(gan)的(de)器(qi)件(jian)，或(huo)者(zhe)限(xian)製(zhi)故(gu)障(zhang)電(dian)流(liu)，使(shi)其(qi)不(bu)致(zhi)於(yu)損(sun)壞(huai)器(qi)件(jian)。

 

在有多個電源電壓的複雜分布式電源架構 (DPA)係統中, 電dian源yuan時shi序xu控kong製zhi可ke以yi使shi係xi統tong電dian路lu各ge部bu分fen的de電dian源yuan在zai不bu同tong的de時shi間jian開kai啟qi和he關guan閉bi。時shi序xu控kong製zhi不bu當dang可ke能neng會hui導dao致zhi某mou個ge器qi件jian的de某mou個ge引yin腳jiao發fa生sheng過guo壓ya或huo閂shuan鎖suo狀zhuang況kuang。

 

隨著人們越來越關注能源效率，許多係統要求實現複雜的休眠 和待機 模(mo)式(shi)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，在(zai)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)些(xie)部(bu)分(fen)已(yi)關(guan)斷(duan)的(de)同(tong)時(shi)，其(qi)它(ta)部(bu)分(fen)仍(reng)然(ran)可(ke)能(neng)處(chu)於(yu)上(shang)電(dian)和(he)活(huo)動(dong)狀(zhuang)態(tai)。與(yu)電(dian)源(yuan)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)一(yi)樣(yang)
，這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)無(wu)法(fa)預(yu)測(ce)的(de)過(guo)壓(ya)事(shi)件(jian)，但(dan)主(zhu)要(yao)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)上(shang)。

 

許多類型的傳感器會產生意想不到的、與它們要測量的物理現象無關的輸出尖峰
，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，常常發生在安裝器件之前。它造成的損害非常廣泛，以至於業界主要規範

，如JESD22-A114D等，不得不明確如何測試和規定半導體耐受各類ESD事件的能力。幾乎所有半導體產品都包含某種形式的集成保護器件。應用筆記AN-397（"標準線性集成電路的電誘發損壞：最常見起因和防止再發生的相關處理,"是一篇很好的參考文獻，詳細討論了這一問題。出現高能脈衝時
，ESD單元應進入低阻抗狀態。這不會限製輸入電流，但能提供到供電軌的低阻抗路徑。

 

一個簡單的案例研究：電源時序控製

 

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。關於新設計需要考慮的一些微妙問題，特別是需要許多不相關的電源時，請參閱應用筆記AN-932 "電源時序控製,".

 

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R_SENSE檢測電流，並提供與相應壓降成比例的輸出。必須采取措施，確保由R₃和R₄構成的分壓器將輸入偏置在額定I_VR範圍內的某處。如果放大器的電源電壓不是從V_SY, 獲得,並且V_CC在V_SY,之後出現，則A1反相輸入端的電壓為：

 

V– = V_SY – (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I_VR範圍
，或者電流超過數據手冊規定的額定最大值
，器件可能會受損。

 

ADA4091 和 ADA4096, 等過壓保護放大器所用的ESD結構不是二極管，而是 DIAC等過壓保護放大器所用的ESD結構不是二極管
，而是

 

圖1. 差分放大器高端電流傳感器。如果V_SY先於V_CC,上電
，放大器的輸入電壓或電流可能會超過數據手冊規定的最大值

 

運算放大器中的故障狀況

 

圖2顯示了一個N溝道J_FET輸入級 (J₁, J₂, R₁, and R₂), 後接一個第二增益級和輸出緩衝器(A1)。當開環放大器在其額定I_VR範圍內時，差分輸入信號 (V_IN+ – V_IN–)與V_DIFF.180度異相。連接為單位增益緩衝器時（如圖所示），如果V_IN+的共模電壓超過放大器的IVRJ1''的柵極-漏極進入未夾斷狀態並傳導整個200 µA級電流。隻要J₁''的柵極-漏極電壓仍然反向偏置V_IN+的進一步增加就不會導致 V_DIFF變化 (V_OUT仍然處於正供電軌). 然而
，一旦J₁''的柵極-漏極變為正偏，V_IN+的進一步增加就會提高A1反相輸入端的電壓，導致輸入信號與 V_DIFF之間發生不需要的反相.

 

圖2. N溝道J_FET輸入運算放大器結構示意圖

 

圖3顯示了A1輸出端反相的一個示例。與雙極性輸入放大器不同，J_FET放大器的輸入未箝位，因而易發生反相。CMOS放(fang)大(da)器(qi)的(de)柵(zha)極(ji)與(yu)漏(lou)極(ji)電(dian)隔(ge)離(li)，一(yi)般(ban)不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)反(fan)相(xiang)。如(ru)果(guo)確(que)實(shi)會(hui)發(fa)生(sheng)反(fan)相(xiang)
，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)製(zhi)造(zao)商(shang)一(yi)般(ban)會(hui)在(zai)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)說(shuo)明(ming)。下(xia)列(lie)條(tiao)件(jian)下(xia)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)反(fan)相(xiang)：放大器輸入端不是CMOS
，最大差分輸入為V_SY, 數據手冊未聲明不會發生反相。雖然反相本身不是破壞性的，但它能導致正反饋，進而使伺服環路不穩定.

 

圖3. 當V_IN超過額定I_VR時，輸入反相導致放大器輸出負值

 

係xi統tong設she計ji師shi還hai必bi須xu關guan注zhu放fang大da器qi輸shu入ru超chao出chu電dian源yuan範fan圍wei時shi會hui發fa生sheng什shen麼me。這zhe種zhong故gu障zhang狀zhuang況kuang通tong常chang發fa生sheng在zai電dian源yuan時shi序xu控kong製zhi導dao致zhi一yi個ge源yuan信xin號hao先xian於yu放fang大da器qi電dian源yuan激ji活huo時shi，或huo者zhe在zai開kai啟qi

、關閉或工作中電源出現尖峰時。對於大多數放大器，這種狀況是破壞性的，尤其是如果過壓大於二極管壓降。

 

圖4顯示了一個帶ESD保護二極管和箝位二極管的典型雙極性輸入級。在緩衝器配置中
，當V_IN+ 超過任一電源軌時
，ESD和箝位二極管就會正偏。這些二極管的源極阻抗非常低
，源極支持多少電流，二極管就能傳導多少電流。精密放大器AD8622提供少許差分保護，輸入端串聯500 Ω電阻
，施加差分電壓時，該電阻可限製輸入電流

，但它隻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，這些電阻並不與ESD二極管串聯
，因而無法限製流向電源軌的電流（例如在過壓期間）。

 

圖4. 帶ESD和差分保護二極管的雙極性輸入級

 

圖5顯(xian)示(shi)一(yi)個(ge)無(wu)保(bao)護(hu)雙(shuang)極(ji)性(xing)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)在(zai)同(tong)時(shi)施(shi)加(jia)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)和(he)過(guo)壓(ya)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)與(yu)電(dian)壓(ya)的(de)關(guan)係(xi)。一(yi)旦(dan)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)壓(ya)降(jiang)，電(dian)流(liu)就(jiu)可(ke)能(neng)損(sun)害(hai)
、降低運算放大器的性能，甚至破壞運算放大器。

 

圖5. 差分輸入電壓超過二極管壓降時的運算放大器輸入電流

 

外部輸入過壓保護

 

從半導體運算放大器問世之初，IC設計師就不得不權衡芯片架構與應對其脆弱性所需的外部電路之間的關係。故障保護一直是最棘手的問題例如，, 請參閱 "運算放大器輸出反相和輸入過壓保護"和MT-069, "儀表放大器輸入過壓保護").

 

係統設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：低失調電壓(VOS)和高共模抑製比(CMRR)
，這兩個特性能夠簡化校準並使動態誤差最小。為在存在電氣過應力(E_OS)的de情qing況kuang下xia保bao持chi這zhe些xie特te性xing，雙shuang極ji性xing運yun算suan放fang大da器qi經jing常chang內nei置zhi箝qian位wei二er極ji管guan，並bing將jiang小xiao限xian流liu電dian阻zu與yu其qi輸shu入ru端duan串chuan聯lian，但dan這zhe些xie措cuo施shi無wu法fa應ying對dui輸shu入ru電dian壓ya超chao過guo供gong電dian軌gui時shi引yin起qi的de故gu障zhang狀zhuang況kuang。為wei了le增zeng加jia保bao護hu，係xi統tong設she計ji師shi可ke以yi采cai用yong圖tu6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。R_FB與R_OVP相等，從而平衡輸入偏置電流引起的失調

 

如果VIN處的信號源先行上電，R_OVP將限製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。對於0 V共模電壓
， D₁ 和 D₂ 引起的額外I_OS取決於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R_OVP.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R_OVP. 在任意共模電壓下，保護二極管引起的額外 I_OS等於:

 

I_OSaddr = I_D1 – I_D2      (2)

 

圖7. 1N5711反向電流與連續反向電壓之間的關係

 

由公式2可計算出極端共模電壓下的V_OS損失:

 

V_OSpenalty = I_OSaddr × R_OVP       (3)

 

使用1N5711在30 V時的漏電流60 nA以及5 kΩ保護電阻
，兩個極端共模電壓下的V_OS將增加300 µV，導致整個輸入電壓範圍內的額外 ∆V_OS 為600 μV。根據數據手冊
，一個具有110 dB CMRR的運算放大器將損失17 dB CMRR。插入反饋電阻來均衡源阻抗隻能在共模電壓為0 V時有幫助，但無法防止整個共模範圍內產生額外的I_OS表1顯示了保護精密放大器常用的一些二極管的計算結果。對於CMRR損失計算，假設使用5 kΩ保護電阻。

 

表1. 常用保護二極管及其對110 dB CMRR精密運算放大器的影響

 

圖6所suo示shi的de方fang法fa可ke能neng還hai有you一yi個ge缺que點dian，那na就jiu是shi保bao護hu二er極ji管guan會hui將jiang過guo壓ya電dian流liu分fen流liu到dao電dian源yuan中zhong。例li如ru，如ru果guo正zheng電dian源yuan無wu法fa吸xi收shou大da量liang電dian流liu，過guo壓ya電dian流liu就jiu可ke能neng迫po使shi正zheng電dian源yuan電dian壓ya提ti高gao。

 

防止這一現象的一種方法是在正輸入與地之間使用背靠背齊納二極管，如圖8所示。超過D₁或 D₂deqinadianyashi
，erjiguanjiangguoyadianliufenliudaodi
，congerbaohudianyuan。zhezhongpeizhinenggoufangzhiguoyaqijiandedianhebengxiaoying，danqinaerjiguandeloudianliuhedianronggaoyuxiaoxinhaoerjiguan。ciwai，qinaerjiguandeloudianliuquxianjuyouruanguaidian(soft-knee)特征。在放大器的共模範圍內
，這會帶來額外的CMRR損失，如前所述。例如，BZB84-C24是一個背靠背齊納二極管對，工作電壓範圍為22.8 V至25.6 V
，反向電流額定值為50 nA（最大值，16.8 V時），但(dan)製(zhi)造(zao)商(shang)並(bing)未(wei)說(shuo)明(ming)接(jie)近(jin)齊(qi)納(na)電(dian)壓(ya)時(shi)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)是(shi)多(duo)少(shao)。此(ci)外(wai)
，為(wei)實(shi)現(xian)更(geng)陡(dou)的(de)擊(ji)穿(chuan)特(te)性(xing)
，齊(qi)納(na)二(er)極(ji)管(guan)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)比(bi)小(xiao)信(xin)號(hao)二(er)極(ji)管(guan)摻(chan)雜(za)更(geng)重(zhong)的(de)擴(kuo)散(san)工(gong)藝(yi)製(zhi)造(zao)，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)，因(yin)而(er)失(shi)真(zhen)（特別是在幅度較高時）和失穩的可能性更高。

 

圖8. 利用限流電阻和兩個齊納二極管提供外部保護的精密運算放大器

 

早期集成過壓保護

 

上(shang)麵(mian)討(tao)論(lun)了(le)放(fang)大(da)器(qi)的(de)一(yi)些(xie)常(chang)用(yong)外(wai)部(bu)保(bao)護(hu)方(fang)法(fa)的(de)缺(que)點(dian)。如(ru)果(guo)放(fang)大(da)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)設(she)計(ji)能(neng)夠(gou)耐(nai)受(shou)較(jiao)大(da)的(de)輸(shu)入(ru)過(guo)壓(ya)
，那(na)麼(me)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian)是(shi)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)的(de)。圖(tu)9顯示了差分輸入對采用的常見集成保護方案。

 

圖9. 帶阻性過壓保護的差分輸入對（未顯示ESD保護）

 

在(zai)該(gai)電(dian)路(lu)中(zhong)
，兩(liang)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)均(jun)有(you)輸(shu)入(ru)保(bao)護(hu)電(dian)阻(zu)。雖(sui)然(ran)一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)端(duan)需(xu)要(yao)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)，但(dan)使(shi)各(ge)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)和(he)漏(lou)電(dian)流(liu)均(jun)衡(heng)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)失(shi)真(zhen)和(he)失(shi)調(tiao)電(dian)流(liu)。此(ci)外(wai)
，二(er)極(ji)管(guan)不(bu)必(bi)處(chu)理(li)ESD事件，因而可以相對較小。

 

增加電阻，無論是外置還是內置，均會增加放大器的和方根(RSS)熱噪聲（公式4）:

 

   (4)

     

如果使用1 kΩ電阻來保護噪聲為4 nV/√Hz的運算放大器，總電壓噪聲將提高√2倍。集成保護電阻並不能改變過壓保護會提高等效輸入電壓噪聲的事實，但將R₁和R₂ 與運算放大器集成在一起可確保數據手冊的噪聲規格包括保護電路。

 

為了避免權衡噪聲與過壓，需要這樣一種保護電路：當放大器輸入在額定範圍內時，它提供低電阻；當放大器輸入超過供電軌時，它提供高電阻。這種特性將能按需改善過壓保護，降低正常工作時的總噪聲貢獻。圖10顯示了一種具有該特性的電路方案.

 

圖10. 帶主動過壓保護的輸入差分對

 

J_xy全部是P溝道JFET，它們是耗盡型器件，因此溝道的摻雜類型與源極和漏極相同。當放大器輸入電平介於兩個供電軌之間時

，J_1A和J_2A是簡單的電阻，阻值等於R_DSON 因為輸入偏置電流足夠小
，溝道與柵極之間的任何電位差都不會使溝道關閉。如果V_IN+ 超出負電源一個二極管壓降，電流就會流過J_1A,導致漏極關閉。這種轉換實際上是 J_1A離開三極工作區，進入線性工作區。如果V_IN+超出正電源一個二極管壓降，J_1A將充當橫向PNP。V_IN+至柵極將用作正偏射極-基極結，另一個結用作基極-集電極，其高阻值避免輸入管過壓。

 

圖11. FET保護運算放大器在受到直流過壓掃描時的有效輸入阻抗

 

集成的優勢

 

ADA4091和ADA4096等放大器證明，實現魯棒的輸入過壓保護對運算放大器的精度影響非常小（如圖10所示）。ADA4096能夠提供與電源電平無關的32 V過壓保護，從而無需雖然廉價但會大幅降低放大器精度的外部器件，或者雖然精密但成本高於放大器本身的外部器件。

 

圖12顯示了2 mm × 2 mm LFCSP封裝的ADA4096-2和幾個常用於外部輸入保護的分立器件。ADA4096-2的集成保護使PCB尺寸大幅縮小，其影響已包括在運算放大器的技術規格中。即使未施加電源，它也能保護放大器（見圖13）。此外
，ADA4091和ADA4096具有軌到軌輸入和輸出特性(RRIO)，在整個過壓保護範圍內都不會發生反相（見圖14）。這些優勢使得係統設計師可以少擔心電源時序控製和閂鎖問題。

 

圖12. 2 mm × 2 mm LFCSP封裝ADA4096-2占用的麵積少於兩個常用於外部過壓保護的器件

 

圖13. 有電源和無電源兩種情況下ADA4096-2輸入過壓保護的限流

 

圖14. ADA4096-2采用±10 V電源，輸入被拉至供電軌以上和以下30 V

 

結論

 

總而言之，集成過壓保護具有許多優勢:

 

1.提高模擬信號鏈的魯棒性和精度

2.縮短產品上市時間(TTM)、設計時間，降低測試要求

3.降低BOM（物料清單）成本

4.核準器件清單所需的器件更少

5.PCB尺寸更小、密度更高

6.故障率更低

 

 

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