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博文連載：看一個TI老工程師如何馴服精密放大器 芯片設計者在將一個運放的敏感引腳引出芯片的時候，通常會想到用戶是否會認真處理這個引腳？或只是粗心的把這個引腳直接和交流電連接起來？我們都希望設計出好產品，可以應對用戶的極端使用。那么，如何在設計中防止過電應力造成的產品失效呢？ OPA320 是大多數典型運放的一種，其最大額定參數表如圖1所示，它描述了芯片最大允許供電電壓、引腳最大允許輸入電壓和電流。根據參數表的附加說明，如果限制引腳輸入電流，那么就不需要限制輸入電壓。內部鉗位二極管允許±10mA的輸入電流。但是在輸入電壓超出正常值很多的情況下，限制輸入電流需要較大的輸入阻抗，這會增加噪聲，降低帶寬，同時還可能產生其它錯誤。 
鉗位二極管在輸入電壓超過電源軌大約0.6V時開始導通。通常，許多設備可以承受較大電流，但是當電壓急劇增加時，設備失效的概率就會增加。 通過添加外部二極管可以大大提高設備耐受大電流的能力，同時也可以提高設備的防護等級。市場上常見的傳輸信號二極管，比如無處不在的1N4148，具有非常低的導通壓降（實驗室測試顯示，其至少比運放內部二極管低100mV）。在與運放內部二極管并聯后，當遇到輸入過流時，大多數電流將流向外部的二極管。 肖特基二極管具有更低的導通電壓，這種特性可以提升保護性能。但缺點也很明顯，它的漏電流太大了。室溫下，它的反向漏電流通常是微安級或者更大，同時，隨著溫度的升高而增加。 另外，你還需要一個足夠強大的電源。鉗位二極管，無論是運放內部或者外部的，都需要一個相對穩定的電源來釋放能量。如果故障脈沖很大，灌入電源軌過多的電流，提高（或拉低負電源）電源電壓，那么脈沖會使電源端承受過大的電壓應力，如圖2所示。典型的線性電源不能吸收電流，因此不要指望使用它做為電源有多穩定。大的旁路電容可以用來吸收大的故障脈沖電流。對于連續的故障電流，可以在輸入引腳和電源上加用齊納二極管來解決。齊納二極管的反向擊穿電壓要剛好高于系統最大供電電壓，這樣僅僅在故障時，齊納二極管才會被導通。對于正負供電系統，需要在兩個電源軌分別設計相同的保護電路。
盡管采取了這些措施，引腳輸入電壓仍可能超過最大額定參數表中的值，但問題關鍵在于：最大額定參數表中的值通常過于保守；在這個電壓或者電流下芯片損壞幾乎是不可能的。一般來說，大幅超過這些參數，器件也不太可能損壞（但不保證）。鉗位到比最大額定參數表中的值高幾伏的電壓，同時獲得較低的失效率是很容易的。在許多情況下，設計的目標是在成本和性能折中的情況下降低失效率。 沒有哪一種方案可以應對所有的情況，也沒有一種保護電路可以同時滿足所有需求。在不同應用中，保護電路方案差別很大。不同運放的靈敏度不同，所需保護等級也存在很大差異。這可能會需要你有一定創造力，最好自己做自己的專家。雖然在極端的環境中做一些測試會損失一些運放，但這是必要的。 |
