如何利用放大器設(shè)計魯棒高性價比的解決方案

　　當(dāng)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(dāng)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。應(yīng)用筆記AN-397“標(biāo)準(zhǔn)線性集成電路的電誘發(fā)損壞：最常見起因和防止再發(fā)生的相關(guān)處理,”是一篇很好的參考文獻，詳細討論了這一問題。出現(xiàn)高能脈沖時，ESD單元應(yīng)進入低阻抗?fàn)顟B(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。關(guān)于新設(shè)計需要考慮的一些微妙問題，特別是需要許多不相關(guān)的電源時，請參閱應(yīng)用筆記AN-932 “電源時序控制,”.

　　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。