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良好的设计可以减少运算放大器的加电问题

作者:美国国家半导体设计大赛时间:2005-04-27来源:eaw收藏

随着系统的变大,减小功耗在许多电子系统中变得更加重要,设计人员利用各种管理方案,为各子系统提供刚好必须的。关闭各个部分的很容易,而重新接通某部分的电源时,不仅应该考虑加电期间各步骤的次序,而且需要考虑系统中的设计变化,以确保加电成功。
运算加电需要遵循以下三步:(1)要有合适的接地;(2)加电前输入引脚上无电压;(3)给加电。第一步通常很容易,多数时候放大器的接地引脚直接接地。第三步中如果加电太快或太慢可能会带来问题。困难的是第二步,确保加电之前输入引脚上没有电压。
在放大器加电时,输入引脚带电会造成以下后果,即:放大器闭锁,主要是 CMOS 放大器的问题; EDS(静电放电)二极管通电和不稳定输出,也会影响放大器。

闭锁导致过热熔化
当放大器内部的晶体管和它们下面的裸片基片之间的 P-N 接头产生寄生 SCR时,就会发生闭锁。SCR 是四层 (PNPN) 器件,一旦触发就会保持导通,直到电源切断。
图 1 所示为互连的 PNP 及 NPN 晶体管的示意图,当电流在晶体管基极中流动时,电流将会自我生成,并把该结构锁在导通状态,导致焊线熔化或该零件损坏。这主要是 CMOS器件的问题。
通过给放大器的输入引脚串联高阻值的电阻器可以消除闭锁。设计者需要在各种温度、供电电压和电源接通速度下评估电路,以避免闭锁。限制输入到放大器的电流,可以使放大器免于毁坏,但无法阻止闭锁。闭锁发生后,必须先切断其供电引脚和输入引脚的电源,再重新给放大器加电接通。

ESD二极管提供保护途径
现代放大器的引脚上都有一对 ESD二极管,保护其内部电路免受静电放电的破坏。
如果静电放电是“正”进入输入引脚(如图 2 所示),那么高压侧二极管会把能量传导到电源的“正”电源电压轨。如果放电为“负”,那么低压侧 EDS 二极管会前向偏置,并把输入引脚固定到底部电源电压轨。在这种方式中,所有引脚偏离供电引脚不超过 0.6 V。
图 2 中,当放大器处于断电状态时,输入引脚的低阻抗电压,使 ESD 二极管导电。如果串联兆欧级电阻,将会使 ESD 二极管前向偏置,导致3 微安输入电流无法正常加电。
如果放大器的输入引脚直接连接到电源,低阻抗源极可以提供足够电流,使二极管前向偏置,然后流入电路板的整个电源节点,为整个系统加电。如果电流足够大(~100 毫安),ESD 二极管将会熔化并短路。
和闭锁一样,解决办法就是给输入引脚增加串联电阻。这将确保不会有足够的电流通过 ESD 二极管给系统供电。ESD 二极管本身可以承受数十毫安电流,因此它几乎不会损坏。但此时,浪费电流通常更成问题。应尽可能使电路中的电源和输入引脚设在禁用状态。

不稳定的开始
图 3表明系统加电速度过慢时可能发生的问题。当放大器在规定电压以下工作时,就无法保证稳定输出。通常,输出在整个供电电压范围内摆动,直到放大器达到最低工作电压。
过快加电可能会藕合到输出,也导致异常。
因此,在放大器测试时,应确保所处的系统使用的电源与最终产品中的一样。由于模拟系统是用实验室电源开发测试的,而实际产品中有噪音、软启动转换开关等,为确保正常工作,在设计中应予以考虑。

低温也会带来问题
高温是系统设计的大敌。器件过热不仅费电,还导致性能受损,最终使零件熔化。同时,半导体的物理性能在低温时也不好。
温度降低时,晶体管VBE会升高,并可能接近 1V,如图4所示。1V的 VBE使人们很难设计出在 1.2V电源下的器件。
另外,低温时还可能发生稳定性方面的问题,例如,有时在容性负载下可能会产生震荡。关键是利用器件数据表中处理温度效应的图表部分,在低温和高温下测试和评估设计系统。
正确选择放大器可以有效地解决电源定序等许多问题。VIP10 IC采用电介质绝缘、互补双极性工艺,它在粘合的硅片上运用了深沟 (deep-trench) 技术,实现了完全的电介质绝缘和最优的高速放大器性能。
还可以选择具有关闭功能的器件。给放大器一直供电,可以帮助把闭锁和 ESD 二极管供电问题降到最低程度。LMV118是一种满摆幅输出电压反馈放大器,工作频率达45MHz。输出电流达



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