12.2 TI 高精度实验室 - 运算放大器：电气过应力 (EOS) 2

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程将讨论

电气过应力的第二部分

我们将介绍更多

用于电气过应力保护的器件

例如双向瞬态抑制二极管

磁珠和 RC 滤波器

我们也将讨论在电气过应力事件发生时

放大器内部的输入保护

和 ESD 保护结构如何起作用

磁珠或者说铁氧体是很有用的保护元件

用来抵抗射频能量

对于正常工作电路的输入输出的干扰

在直流或者低频的情况下

磁珠的阻抗接近于零

而在高频

磁珠的阻抗随着频率的变化快速的增大

如右下图所示

在图中给出了几种磁珠的特性曲线

但是您可以看到

在频率为 200 兆赫兹的情况下

磁珠的阻抗可以高达 800 欧姆

基于此磁珠对于不适合放置固定电阻

但又要阻挡射频信号的情况下

是非常有用的

在之前 EOS 第一部分的课程中

我们介绍了瞬态抑制二极管即 TVS 管

我们现在来讨论

双向的瞬态抑制二极管

双向瞬态二极管

简单的讲

就像两个 TVS 管的阴极对接起来一样

在当两端电压

低于正负击穿电压相加的情况下

二极管会保持关断状态

而一旦两端的电压超过击穿电压

这个器件将会导通

并消耗掉大量的能量

双向瞬态二极管

可以用来保护放大器的输入和输出端口

在输入端

双向瞬态二极管将输入电压

限制在对运放安全的电压范围内

RC 滤波电路

用来衰减输入的瞬变信号

我们在下一页会进行进一步的讨论

输出端保护

采用一个磁珠和双向瞬态抑制二极管

来把电压限制在安全的范围内

因为采用一个固定阻值的电阻

将会造成压降误差

也可能会限制输出电压的摆幅

所以这里采用了磁珠

可是需要注意的是

这个磁珠无法在低频时

提供电气过应力事件的保护

我们在之前

电气过应力章节的第一部分的

课程中讨论过

EOS 的持续时间

可能会长达数毫秒甚至更多

可是 EOS 也可以是短时高压脉冲

在这种情况下

一个简单的 RC 低通滤波器

能帮助减小输入瞬时信号的幅度

这个示例示意了

在运放的输入端口

有一个电气过应力事件

一个截止频率为 1kHz

也即时间常数

为 160us 的 RC 低通滤波器

被放置在了运放的输入端口

对于这个 RC 滤波电路

一个常用的经验法则是

滤波后的电压

在一个时间常数内

达到 63% 的满量程值

而充满需要五个时间常数的时间

从上面的仿真示例可以看到

RC 低通滤波器的效果

输入过应力的脉冲

为一百微秒 25 伏的信号

一百微秒小于 RC 滤波器的时间常数

因此不会到输入脉冲电压值的 63%

仿真结果显示

放大器的输入电压

被限制在了 14V 这个安全的水平

当然这种保护方式是否奏效

取决于该电路的带宽

以及输入过应力电压的

脉冲时长以及幅值

除了输入和输出引脚的保护

另一个容易受电气过应力损坏的

是电源引脚

瞬态抑制二极管

也可以用来抑制电源上的

电气过应力能量

类似于图中所示的 π 型滤波器

也能够减少电源上的毛刺

超过放大器所允许的

最大输入差分电压

也会造成放大器的过应力损坏

有些放大器允许差分输入电压

等于电源电压

而另一方面有一些放大器

只允许相对较小的差分输入电压

例如 0.7 伏

这个小的差分输入电压

在双极性放大器中非常常见

这种放大器的输入差分对管

比较容易发生基极 发射极击穿

这会造成放大器的损坏

正因为如此

一般会用一对二极管

连接到差分输入端

来将差分电压限制在安全水平

如果差分电压大于二级管的压降

二极管将会导通

将电压限制在安全范围内

尽管二极管可以保护放大器的输入端

如果流过二极管的电流超过其极限值

二极管也有可能会被损坏

记住 大部分放大器的

绝对最大输入电流是十毫安

所以要确保留过这些二极管的电流

小于十毫安

我们来看下一个大的差分电压

加在放大器上的例子

对如图所示的电压跟随器施加一个方波

会导致该放大器的压摆率受限

这个话题

我们已经在之前的课程中讨论过了

当放大器的压摆率受限时

放大器的差分输入端

可能会有很大的输入差分电压

例如当输入端施加 +5V~-5V 信号时

输出不可能立即跟着变化

因此在转换瞬间

输入差分电压

可能会达到满量程的十伏

不过背靠背的二极管

将该电压限制在了 0.7 伏

如果没有采取某些限流措施

这个瞬间会有大的电流流过

出于保护 在压摆率受限的情况下

输入端口采用串联电阻 RP

来将电流限制在小于十毫安

右边的瞬态仿真图示意了

该限流电阻

如何将输入电流限制在小于十毫安

也示意了背靠背二极管

将差分输入电压限制在小于一伏

在之前的课程中

我们描述了最常用的 ESD 保护结构

可是在有些情况下

由于工艺限制或者是器件性能需要

迫使采用不同的保护结构

在这里我们示意了

OPA364 放大器内部的 ESD 防护器件

OPA364 的输入端

有我们熟悉的 ESD 二极管

但是它还有 SCR 器件

SCR 即硅控整流器

是一种一旦某个最高电压

加在它上面时就会锁住的二极管

它很像我们在 ESD 课程中

讨论的吸收器件

在这种情况下

当输入电压超过 15V 时

SCR 器件将会导通

需要注意的是

这个放大器的最大供电电压是 5.5V

因此永远不要在输入端

施加 15V 的电压

然而如果输入的电压超过了 15V

硅控整流器将会导通

并允许大电流的流过

而该硅控整流器

直到断电后才会被关闭

之所以使用硅控整流器

是因为其导通的速度

远快于 ESD 的防护器件

可以缓解 ESD 的瞬时干扰

因此硅控整流器对于

在器件不上电时的 ESD 防护非常有帮助

但是在其导通时

并经受电气过应力事件时可能会有问题

在输出端也包含一个硅控整流器

和带有限流电阻的 ESD 保护二极管

电阻是用来防止 ESD 二极管

在某些应用中由于电感的反冲而损坏

最后吸收器件也就是 Ts

其设计可以实现大概十毫秒的快速导通

需要留意的是

在电源连接极性相反的情况下

吸收器件中的二极管 DS

将会导通并泄流掉大量的电流

但是可能会导致损坏

以上就是本次课程的内容

非常感谢您的观看

请准备好进行下面的一个小测试

看看您是否已经掌握了本次课程学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程将讨论

电气过应力的第二部分

我们将介绍更多

用于电气过应力保护的器件

例如双向瞬态抑制二极管

磁珠和 RC 滤波器

我们也将讨论在电气过应力事件发生时

放大器内部的输入保护

和 ESD 保护结构如何起作用

磁珠或者说铁氧体是很有用的保护元件

用来抵抗射频能量

对于正常工作电路的输入输出的干扰

在直流或者低频的情况下

磁珠的阻抗接近于零

而在高频

磁珠的阻抗随着频率的变化快速的增大

如右下图所示

在图中给出了几种磁珠的特性曲线

但是您可以看到

在频率为 200 兆赫兹的情况下

磁珠的阻抗可以高达 800 欧姆

基于此磁珠对于不适合放置固定电阻

但又要阻挡射频信号的情况下

是非常有用的

在之前 EOS 第一部分的课程中

我们介绍了瞬态抑制二极管即 TVS 管

我们现在来讨论

双向的瞬态抑制二极管

双向瞬态二极管

简单的讲

就像两个 TVS 管的阴极对接起来一样

在当两端电压

低于正负击穿电压相加的情况下

二极管会保持关断状态

而一旦两端的电压超过击穿电压

这个器件将会导通

并消耗掉大量的能量

双向瞬态二极管

可以用来保护放大器的输入和输出端口

在输入端

双向瞬态二极管将输入电压

限制在对运放安全的电压范围内

RC 滤波电路

用来衰减输入的瞬变信号

我们在下一页会进行进一步的讨论

输出端保护

采用一个磁珠和双向瞬态抑制二极管

来把电压限制在安全的范围内

因为采用一个固定阻值的电阻

将会造成压降误差

也可能会限制输出电压的摆幅

所以这里采用了磁珠

可是需要注意的是

这个磁珠无法在低频时

提供电气过应力事件的保护

我们在之前

电气过应力章节的第一部分的

课程中讨论过

EOS 的持续时间

可能会长达数毫秒甚至更多

可是 EOS 也可以是短时高压脉冲

在这种情况下

一个简单的 RC 低通滤波器

能帮助减小输入瞬时信号的幅度

这个示例示意了

在运放的输入端口

有一个电气过应力事件

一个截止频率为 1kHz

也即时间常数

为 160us 的 RC 低通滤波器

被放置在了运放的输入端口

对于这个 RC 滤波电路

一个常用的经验法则是

滤波后的电压

在一个时间常数内

达到 63% 的满量程值

而充满需要五个时间常数的时间

从上面的仿真示例可以看到

RC 低通滤波器的效果

输入过应力的脉冲

为一百微秒 25 伏的信号

一百微秒小于 RC 滤波器的时间常数

因此不会到输入脉冲电压值的 63%

仿真结果显示

放大器的输入电压

被限制在了 14V 这个安全的水平

当然这种保护方式是否奏效

取决于该电路的带宽

以及输入过应力电压的

脉冲时长以及幅值

除了输入和输出引脚的保护

另一个容易受电气过应力损坏的

是电源引脚

瞬态抑制二极管

也可以用来抑制电源上的

电气过应力能量

类似于图中所示的 π 型滤波器

也能够减少电源上的毛刺

超过放大器所允许的

最大输入差分电压

也会造成放大器的过应力损坏

有些放大器允许差分输入电压

等于电源电压

而另一方面有一些放大器

只允许相对较小的差分输入电压

例如 0.7 伏

这个小的差分输入电压

在双极性放大器中非常常见

这种放大器的输入差分对管

比较容易发生基极 发射极击穿

这会造成放大器的损坏

正因为如此

一般会用一对二极管

连接到差分输入端

来将差分电压限制在安全水平

如果差分电压大于二级管的压降

二极管将会导通

将电压限制在安全范围内

尽管二极管可以保护放大器的输入端

如果流过二极管的电流超过其极限值

二极管也有可能会被损坏

记住 大部分放大器的

绝对最大输入电流是十毫安

所以要确保留过这些二极管的电流

小于十毫安

我们来看下一个大的差分电压

加在放大器上的例子

对如图所示的电压跟随器施加一个方波

会导致该放大器的压摆率受限

这个话题

我们已经在之前的课程中讨论过了

当放大器的压摆率受限时

放大器的差分输入端

可能会有很大的输入差分电压

例如当输入端施加 +5V~-5V 信号时

输出不可能立即跟着变化

因此在转换瞬间

输入差分电压

可能会达到满量程的十伏

不过背靠背的二极管

将该电压限制在了 0.7 伏

如果没有采取某些限流措施

这个瞬间会有大的电流流过

出于保护 在压摆率受限的情况下

输入端口采用串联电阻 RP

来将电流限制在小于十毫安

右边的瞬态仿真图示意了

该限流电阻

如何将输入电流限制在小于十毫安

也示意了背靠背二极管

将差分输入电压限制在小于一伏

在之前的课程中

我们描述了最常用的 ESD 保护结构

可是在有些情况下

由于工艺限制或者是器件性能需要

迫使采用不同的保护结构

在这里我们示意了

OPA364 放大器内部的 ESD 防护器件

OPA364 的输入端

有我们熟悉的 ESD 二极管

但是它还有 SCR 器件

SCR 即硅控整流器

是一种一旦某个最高电压

加在它上面时就会锁住的二极管

它很像我们在 ESD 课程中

讨论的吸收器件

在这种情况下

当输入电压超过 15V 时

SCR 器件将会导通

需要注意的是

这个放大器的最大供电电压是 5.5V

因此永远不要在输入端

施加 15V 的电压

然而如果输入的电压超过了 15V

硅控整流器将会导通

并允许大电流的流过

而该硅控整流器

直到断电后才会被关闭

之所以使用硅控整流器

是因为其导通的速度

远快于 ESD 的防护器件

可以缓解 ESD 的瞬时干扰

因此硅控整流器对于

在器件不上电时的 ESD 防护非常有帮助

但是在其导通时

并经受电气过应力事件时可能会有问题

在输出端也包含一个硅控整流器

和带有限流电阻的 ESD 保护二极管

电阻是用来防止 ESD 二极管

在某些应用中由于电感的反冲而损坏

最后吸收器件也就是 Ts

其设计可以实现大概十毫秒的快速导通

需要留意的是

在电源连接极性相反的情况下

吸收器件中的二极管 DS

将会导通并泄流掉大量的电流

但是可能会导致损坏

以上就是本次课程的内容

非常感谢您的观看

请准备好进行下面的一个小测试

看看您是否已经掌握了本次课程学习的内容