1典型运算放大器增加过压保护案例：电源时序控

当运算放大器的输入电压超过额定输入电压范围，或者在极端情况下，超过放大器的电源电压时，放大器可能发生故障甚至受损。本文讨论过压状况的一些常见原因和影响，为无保护的放大器增加过压保护是如何的麻烦，以及集成过压保护的新型放大器如何能为设计工程师提供紧凑、鲁棒、透明、高性价比的解决方案。

　　所有电子器件的可耐受电压都有一个上限，超过上限就会产生影响，轻则导致工作暂时中断或系统闩锁，重则造成永久性损害。特定器件能够耐受的过压量取决于多个因素，包括是否安装或意外接触器件、过压事件的幅度和持续时间、器件的鲁棒性等。

　　精密放大器常常是传感器测量信号链中的第一个器件，因而最容易受到过压故障的影响。选择精密放大器时，系统设计师必须了解放大器的共模输入范围 。在数据手册中，共模输入范围可能是用输入电压范围 （IVR）， 测试条件下的 共模抑制比 （CMRR），或以上二者来规定。

　　过压状况的实际原因

　　放大器需要两种保护：一是过压保护 用以防止电源时序控制、休眠模式切换和电压尖峰引起的故障；二是ESD静电放电）保护，用以防止静电放电 （甚至搬运过程中也可能出现静电放电），引起的故障。 安装后， 器件可能会受系统电源时序控制，导致重复性过压应力。系统设计师必须想方设法使故障电流避开敏感的器件，或者限制故障电流，使其不致于损坏器件。

　　在有多个电源电压的复杂分布式电源架构 （DPA）系统中， 电源时序控制可以使系统电路各部分的电源在不同的时间开启和关闭。时序控制不当可能会导致某个器件的某个引脚发生过压或闩锁状况。

　　随着人们越来越关注能源效率，许多系统要求实现复杂的休眠 和待机 模式。这意味着，在系统的某些部分已关断的同时，其它部分仍然可能处于上电和活动状态。与电源时序控制一样，这些情况可能会导致无法预测的过压事件，但主要是在输入引脚上。

　　许多类型的传感器会产生意想不到的、与它们要测量的物理现象无关的输出尖峰，这类过压状况一般仅影响输入引脚。

　　静电放电是一种广为人知的过压事件，常常发生在安装器件之前。它造成的损害非常广泛，以至于业界主要规范，如JESD22-A114D， determine how to test and specify the semiconductor’s 等，不得不明确如何测试和规定半导体耐受各类ESD事件的能力。几乎所有半导体产品都包含某种形式的集成保护器件。出现高能脉冲时，ESD单元应进入低阻抗状态。这不会限制输入电流，但能提供到供电轨的低阻抗路径。

　　一个简单的案例研究：电源时序控制

　　随着混合信号电路变得无处不在，单一PCB上的多电源需求也变得非常普遍。

　　精密放大器可能会成为这种状况的受害者。图1显示了一个配置成差分放大器的运算放大器。放大器通过RSENSE检测电流，并提供与相应压降成比例的输出。必须采取措施，确保由R3和R4构成的分压器将输入偏置在额定IVR范围内的某处。如果放大器的电源电压不是从VSY， 获得，并且VCC在VSY，之后出现，则A1反相输入端的电压为：

　　V_ = VSY-（I_ × R1） （1）

　　其中I_ 由无电源时A1的输入阻抗决定。如果放大器不包含过压处理设计，则最有可能的电流路径是通过ESD二极管、箝位二极管或寄生二极管流向电源或地。如果此电压超出IVR范围，或者电流超过数据手册规定的额定最大值，器件可能会受损。

　　ADA4091和ADA4096， 等过压保护放大器所用的ESD结构不是二极管，而是DIAC 器件（双向“交流二极管”），这使得此类放大器即使没有电源也能承受过压状况。

运算放大器中的故障状况

　　当开环放大器在其额定IVR范围内时，差分输入信号 （VIN+– VIN–）与VDIFF.180度异相。连接为单位增益缓冲器时（如图所示），如果VIN+的共模电压超过放大器的IVRJ1’的栅极-漏极进入未夹断状态并传导整个200μA级电流。只要J1’的栅极-漏极电压仍然反向偏置VIN+的进一步增加就不会导致 VDIFF变化 （VOUT仍然处于正供电轨）。 然而，一旦J1’的栅极-漏极变为正偏，VIN+的进一步增加就会提高A1反相输入端的电压，导致输入信号与VDIFF之间发生不需要的反相。

　　CMOS放大器的栅极与漏极电隔离，一般不会发生反相。如果确实会发生反相，运算放大器制造商一般会在数据手册中说明。下列条件下可能发生反相：放大器输入端不是CMOS，最大差分输入为VSY， 数据手册未声明不会发生反相。虽然反相本身不是破坏性的，但它能导致正反馈，进而使伺服环路不稳定。

　　系统设计师还必须关注放大器输入超出电源范围时会发生什么。这种故障状况通常发生在电源时序控制导致一个源信号先于放大器电源激活时，或者在开启、关闭或工作中电源出现尖峰时。对于大多数放大器，这种状况是破坏性的，尤其是如果过压大于二极管压降。

　　这些二极管的源极阻抗非常低，源极支持多少电流，二极管就能传导多少电流。精密放大器AD8622提供少许差分保护，输入端串联500 Ω电阻，施加差分电压时，该电阻可限制输入电流，但它只能在输入电流不超过额定最大值时提供保护。如果最大输入电流为5 mA，则允许的最大差分电压为5 V。注意，这些电阻并不与ESD二极管串联，因而无法限制流向电源轨的电流（例如在过压期间）。

　　一旦施加的电压超过二极管压降，电流就可能损害、降低运算放大器的性能，甚至破坏运算放大器。

　　外部输入过压保护

　　从半导体运算放大器问世之初，IC设计师就不得不权衡芯片架构与应对其脆弱性所需的外部电路之间的关系。系统设计师之所以需要精密运算放大器，是因为它有两个重要特性：低失调电压（VOS）和高共模抑制比（CMRR），这两个特性能够简化校准并使动态误差最小。为在存在电气过应力（EOS）的情况下保持这些特性，双极性运算放大器经常内置箝位二极管，并将小限流电阻与其输入端串联，但这些措施无法应对输入电压超过供电轨时引起的故障状况。为了增加保护，系统设计师可以采用图6所示的电路。

　　图6：利用限流电阻和两个肖特基二极管提供外部保护的精密运算放大器。RFB与ROVP相等，从而平衡输入偏置电流引起的失调

　　如果VIN处的信号源先行上电，ROVP将限制流入运算放大器的电流。肖特基二极管的正向电压比典型的小信号二极管低200 mV，因此所有过压电流都会通过外部二极管D1和D2.分流。然而，这些二极管可能会降低运算放大器的性能。例如，可以利用1N5711的反向漏电流曲线（见图7）来确定特定过压保护电阻造成的CMRR损失。1N5711在0 V时的反向漏电流为0 nA，在30 V时为60 nA。对于0 V共模电压， D1和D2引起的额外IOS取决于其漏电流的匹配程度。当V被拉至+15 V时，D1将反向偏置30 V，D2将偏置0 V。因此，额外的60 nA电流流入ROVP.当输入被拉至–15 V时，D1和D2的电气位置交换，60 nA电流流出OVP. 在任意共模电压下，保护二极管引起的额外IOS等于：

　　IOSaddr = ID1– ID2 （2）

　　由公式2可计算出极端共模电压下的VOS损失：

　　VOSpenalty = IOSaddr× ROVP （3）