放大器电气过应力EOS问题分析

　　(左)5V 电源电压 1us 瞬态(1us transient riding on 5V supply voltage)

　　(右上)+5V 电源线 5V 1us 瞬态(5V 1us transient riding on+5V supply line)

　　(右下)无 TVS 模型时仿真中使用的齐纳二极管(zener diode used in simulation on TVS model available)

　　A、RLC 电路的输入电流限制(limits input current with RLC circuit)

　　B、TVS 的输入电压限制(limits input voltage with TVS)利用 RC 或 RLC 电路，您可以保护器件免于电源瞬态(请参见图 8)。使用一个普通的板上 EMI/RFI 滤波器便可完成这项工作。然而，电路的响应会随 RLC 常数和负载特性的不同而呈现出极大的差异。在图 8A 中，简单的 RLC 电路被连接至一个负载电阻。+5V 电源具有 5V 的电压，1us 瞬态，等于 10V 电压峰值。这超出了一些低压 CMOS 工艺的最大电源电压。1kΩ 负载电阻模拟了一个需要约 5mA 电源电流的放大器。从响应可以看到 RLC 电路将该峰值融入到了一个 +5Vdc 电平上的正弦响应。轻微过压不会导致器件出现问题。但是，在许多情况下，同 RLC 电路组合相关的一些未知条件会使电源电压下冲。这会影响运算放大器的输出偏移。虽然运算放大器的 PSRR 将有助于最小化输出偏移的变化，但其也是一个明显的误差。由于太多的变量未知，因此最好不要依赖此类保护。一种更佳、可预知性更高的瞬态抑制方法是在电源线上使用瞬态电压抑制器 (TVS)(请参见图 8B)。TVS 与齐纳二极管相类似，但它是专为承受超大瞬态电流和峰值功率而设计。在单极和双极运算放大器中，TVR Littlefuse 1.5KE 系列均可用于 6.8V-550V 的反向承受电压。10 次 100us 脉冲的峰值功率能力为 1500W。它们是一些具有纳秒响应时间的快速响应器件。一个明显的优势是快速电压钳制特性，其电源电压下冲极少(如果有的话)。图 9 显示了使用外部保护器件的完整EOS保护方案。如果您了解每一个运算放大器引脚上所用的内部 ESD 单元，则只要内部器件能够完全保护各个运算放大器引脚就可以去除一些外部器件。

　　图 9 完整的外部EOS保护图中翻译：

　　(标题)

　　实现完整的EOS保护所添加的外部组件(external components added to provide complete EOS protection)

　　(左上)

　　RF 和 RI 限制了流经 SDI2 和 SDI4 的电流(RF and RI limit current through SD12 and SD14)

　　(左中)

　　SDlx 为小信号肖特基二极管，并将输入电压限制在 (V. +0.3) 或 (V. -0.3) 二极管泄漏会影响输入电流(SCOx are small signal schottky diodes and limit input voltage to(V. +0.3) 或 (V. -0.3). diode leakage affects the input current)

　　(右上)

　　SCOx 为小信号肖特基二极管。使用电源运算放大器的电源肖特基二极管。二极管将 EOS 电压限制在 (V. +0.3) 或 (V. -0.3) (SCOx are small signal schottky diode. use power schottky diode for power OP amps. diode limit EOS voltage to(V. +0.3) or (V. -0.3))

　　(右中)

　　ROL 限制了流经 SDO5 和 SDO6 的电流。ROL 位于在 Vcut 时带来极小影响的反馈中。(ROL limits current through SDO5,SDO6. ROL is inside the feedback adding little error at Vcut.) (中下)

　　ZSx 为齐纳二极管或无极性半导体瞬态电压抑制器 (TVS)。ZSx 防止了电源过压、反极性并在一个电源电压缩放时为 lq 提供一条路径.(ZSx are zener diode or input semiconductor transient voltage suppressors (TVS). ZSx prevent power supply overvoltage. Reverse polarity, and provide a path for lq if one supply is floating.)SDIx 肖特基二极管提供了输入过压的电压钳制功能。R1 将流经这些二极管的电流限定在所用二极管的规定电平。SDOx肖特基二极管提供了输出过压的电压钳制保护。如果您在运算放大器电源上使用这种输出保护，则需使用功率肖特基二极管。流经这些二极管的电流必须限定在所用二极管的规定电平。一旦您让这种瞬态电流流经输入或输出二极管，则必须将这种能量接地，否则运算放大器电源可能会进入过压状态。如果出现这种情况，那么放大器就会锁闭，甚至会被永久损坏。若电源不能吸入电流，或者非二极管直流电流频率的低阻抗，则在每一个电源上都需要有一个齐纳二极管或直流电压抑制器 (TVS) 来引导该接地电流。大多数电源均为单向而非双向流出电流或吸入电流。齐纳二极管或单向半导体瞬态电压抑制器提供了一种将器件引脚维持在安全水平的简单、低成本方法。结论

　　一个 EOS 事件可能会激活运算放大器中的 ESD 保护电路。您也许会更倾向于认为 ESD 电路也同样适合处理 EOS 事件。ESD 事件持续时间非常短，通常不到几百纳秒。相反，EOS 事件持续时间可能会更长。当 ESD 电路被 EOS 事件激活时，电路传导电流可能会导致过热，进而可能带来一定的损坏。如果碰到您的系统面临 EOS 事件时，需使用简单的外部保护电路来保护您的电路。尽管存在一些较小的前端设计问题，但这可以让您避免一些后端设计难题。