克服放大器電氣過應(yīng)力問題(上)

　　對(duì)于運(yùn)算放大器，用戶普遍反映的問題是：“放大器電壓輸入能否高于電源軌?”一個(gè)系統(tǒng)有多個(gè)電源時(shí)便可能會(huì)出現(xiàn)此類問題。如果在不同時(shí)間開啟這些電源，則系統(tǒng)器件的一個(gè)或多個(gè)引腳容易處于過壓狀態(tài)。這會(huì)使器件出現(xiàn)電氣過應(yīng)力 (EOS)問題。如果在不同電源供電時(shí)一個(gè)來自于“外部世界”或系統(tǒng)獨(dú)立部分的信號(hào)出現(xiàn)在運(yùn)放的輸入或輸出端，就會(huì)出現(xiàn)另一種過應(yīng)力情況。

　　當(dāng)我們考慮出現(xiàn)EOS問題的放大器時(shí)，可能會(huì)想到靜電放電(ESD)。ESD使放大器引腳面臨短時(shí)、高壓、放電問題。第二種(通常會(huì)被人們忽略)過應(yīng)力條件是EOS 。EOS使放大器面臨相對(duì)于ESD較低的過壓和電流，但持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。看完本文后，您就會(huì)對(duì)潛在放大器 EOS 狀態(tài)有所了解，并知道解決這一問題的方法。利用這種方法，您就能夠設(shè)計(jì)防止電氣過應(yīng)力損壞、穩(wěn)健的集成電路外部系統(tǒng)。

　　破壞性的靜電放電事件

　　電氣過應(yīng)力的一個(gè)明顯起因是ESD。當(dāng)兩個(gè)物體(body)極為接近，且處于不同靜電位下(幾百伏或數(shù)千伏)時(shí)，便存在發(fā)生ESD的可能性。若兩個(gè)物體之間出現(xiàn)傳導(dǎo)路徑，則會(huì)發(fā)生靜電荷轉(zhuǎn)移。電荷中和以后，便不再放電。

　　芯片處于電路斷開(out-of-circuit) 環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生ESD。一般而言，我們發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤地操作IC芯片會(huì)導(dǎo)致ESD發(fā)生，從而帶來一定的破壞性。ESD發(fā)生在若干分之一秒時(shí)間內(nèi)(通常不到 250ns)。若電流路徑中幾乎沒有電阻的話，則大約數(shù)安培的電流將會(huì)流入芯片電路。

　　數(shù)十年前，半導(dǎo)體電路常常遭受ESD帶來的破壞，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路故障，甚至帶來危害更大的參數(shù)降級(jí)。然而，一旦ESD的特性為人們了解之后，半導(dǎo)體廠商就開始在新的IC設(shè)計(jì)中實(shí)施保護(hù)電路。這些片上保護(hù)電路極大地降低了 ESD 對(duì)IC芯片產(chǎn)生破壞的可能性。

　　片上ESD保護(hù)電路的主要功能是防止PCB(印制電路板)裝配之前和PCB裝配操作帶來的ESD相關(guān)破壞。此類操作期間，低阻抗接地路徑可起到放電路徑的作用，以對(duì)IC或周圍表面所帶的電荷進(jìn)行放電。

　　IC安裝到PCB電路板上后，情況便不一樣了。一旦安裝完成，在IC芯片和另一個(gè)板上組件之間便形成了連接。這就大大降低了低阻抗ESD路徑存在的可能性。完成此安裝以后，您極有可能不會(huì)碰到干預(yù)內(nèi)部ESD IC電路的ESD情況。這的確不錯(cuò)!

　　但是，還有另一種可能性。工作電路的一些狀況可能會(huì)使IC芯片受EOS的影響。在 EOS狀態(tài)下，可能會(huì)無意中激活ESD電路。EOS的時(shí)滯可能會(huì)比ESD 的時(shí)間要長(zhǎng)得多。EOS期間電流傳導(dǎo)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可能足以在芯片中產(chǎn)生具有危險(xiǎn)水平的熱量。在這種極端條件下，芯片會(huì)被迅速破壞而且不可避免，最終損壞電路。

　　電氣過應(yīng)力現(xiàn)象

　　不知不覺地，我們可能正依賴器件的內(nèi)部ESD電路在EOS期間提供保護(hù)，盡管并非有意讓電路支持這一用途。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在施加電力以前您便擁有了一個(gè)可以完美運(yùn)行的IC(請(qǐng)參見圖1)，然而在施加電力和輸入信號(hào)以后該IC突然就被破壞了。EOS可能會(huì)非常劇烈，以至于IC過熱，從而熔化裸片和封裝材料。圖 2 為此類破壞的一個(gè)例子。