如何利用放大器設計魯棒高性價比的解決方案

　　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，超過上限就會產生影響，輕則導致工作暫時中斷或系統閂鎖，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，系統設計師必須了解放大器的共模輸入范圍。在數據手冊中，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靜電放電),引起的故障。安裝后, 器件可能會受系統電源時序控制，導致重復性過壓應力。系統設計師必須想方設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雜分布式電源架構 (DPA)系統中, 電源時序控制可以使系統電路各部分的電源在不同的時間開啟和關閉。時序控制不當可能會導致某個器件的某個引腳發生過壓或閂鎖狀況。

　　隨著人們越來越關注能源效率，許多系統要求實現復雜的休眠和待機模式。這意味著，在系統的某些部分已關斷的同時，其它部分仍然可能處于上電和活動狀態。與電源時序控制一樣，這些情況可能會導致無法預測的過壓事件，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，以至于業界主要規范，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。出現高能脈沖時，ESD單元應進入低阻抗狀態。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。關于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IVR范圍內的某處。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，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 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。