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作者：Art Kay 德州儀器 記得大學(xué)的時(shí)候，我們莫名其妙地將 120VAC 電源連接到了 5V 微控制器電源上。微控制器爆了，實(shí)驗室里到處都是陶瓷 DIP 器件的小碎片。這是我的第一次電氣過(guò)應力 (EOS) 經(jīng)歷。 雖然可能很明顯不應該將 120V 電源連接到 5V 器件上，但怎么知道安全工作等級是多少呢？答案就在“絕對最大額定參數”表中，該表主要描述器件損壞前所能承受的最差情況輸入信號、電源電壓和溫度。表 1 是 OPA192 絕對最大額定參數的實(shí)例。在本博客中，我們將重點(diǎn)探討電源電壓和輸入信號。我還將寫(xiě)一篇介紹其它參數的后續博客。 表 1：OPA192 的絕對最大額定參數表 
在本實(shí)例中，絕對最大電源電壓對于單電源而言是 ±20V 或 40V。必須理解，絕對最大電源電壓（表 1 中 40V）不同于工作技術(shù)參數中的最大電源電壓（表 2 中的 36V）。超過(guò)絕對最大電源電壓會(huì )損壞器件，而超過(guò)工作技術(shù)參數中的最大電源電壓則意味著(zhù)器件的精確度會(huì )降低到給定限值以下。因此在本例中，如果電源電壓被設定為 37V，那么器件精度可能會(huì )受到影響，但放大器不會(huì )損壞。 表 2：OPA192 的工作技術(shù)參數
電氣特性 在 TA = +25C 時(shí)，VCM = VOUT = VS/2，連接到 Vs/2 的 RLOAD = 10kΩ，另有說(shuō)明除外。 既然理解了絕對最大額定參數表的意圖，那我們就來(lái)看看輸入信號。圖 1 列出了共模及最大差分輸入。共模信號是放大器任意輸入端上的電壓，而差分輸入信號則是應用在放大器兩個(gè)輸入端之間的電壓。在運算放大器正常工作時(shí)，差分輸入就是輸入失調電壓 (Vos)。然而在有些情況下，放大器可能應用了很大的差分電壓。例如，如果放大器作為比較器使用或連接至多路復用器，那么在多路復用器通道轉換時(shí)，輸入端可能會(huì )出現很大的差分電壓。圖 1 有助于理解共模輸入與差分輸入之間的區別。
圖 1：運算放大器的共模輸入與差分輸入 只要保持輸入信號小于絕對最大額定參數，放大器就不會(huì )損壞。這似乎很簡(jiǎn)單，那為什么電氣過(guò)應力會(huì )成為這樣的問(wèn)題呢？原因是放大器輸入終端經(jīng)常暴露于外界。例如，某產(chǎn)品可能需要連接外部傳感器才能工作。在很多時(shí)候，外部連接有可能被錯誤連線(xiàn)至過(guò)大電壓。而在其它使用案例中，短暫的過(guò)壓浪涌可能會(huì )通過(guò)磁耦合或電容耦合應用。對于惡劣環(huán)境情況而言，不可能阻止過(guò)壓條件出現。在這些情況下有必要使用一些外部保護功能。 最簡(jiǎn)單的外部保護形式是使用限流電阻器。注意，在表 2 中輸入終端電流必須限制在 10mA 或以下。該電流限值可用來(lái)選擇能夠防止過(guò)壓電源造成損壞的電阻器。圖 2 是內部運算放大器靜電放電 (ESD) 保護二極管（D1、D2、D3 和 D4）。ESD 二極管本身不是用來(lái)處理大量連續電氣過(guò)應力電流的，而是用來(lái)防范極短靜電放電脈沖（幾納秒內的幾千伏電壓）的。實(shí)際上，二極管額定允許的連續輸入電流僅為 10mA（見(jiàn)表 2 的輸入終端電流）。因此，輸入保護的關(guān)鍵是使用串聯(lián)電阻器 (Rp) 將輸入電流限制在 10mA 以下。注意，您需要查看產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，以確認放大器中的輸入 ESD 二極管的配置情況。
圖 2：內部 ESD 二極管與限流電阻器 限流電阻器值的選擇取決于應用所預期的最差情況過(guò)應力電壓。公式 1 是假設 100V 過(guò)應力電壓下的計算實(shí)例。該公式由歐姆定律以及基爾霍夫圍繞環(huán)路的電壓定律推導得出�？墒褂酶蟮拇�(lián)保護電阻器實(shí)現更高的保護等級。
最后要注意的是，電源上需要配備瞬態(tài)電壓抑制器（D5 和 D6），以吸收過(guò)壓信號。瞬態(tài)電壓抑制器與齊納二極管類(lèi)似，但它們通過(guò)大型結點(diǎn)區域進(jìn)行了優(yōu)化，可在短時(shí)間內快速吸收大功率。之所以需要這些二極管是因為電源可能無(wú)法吸收電流。此外，電源可能做出的響應速度不夠，不能防范過(guò)壓信號。必須確保針對該應用使用單向（而非雙向）電壓抑制器。 在這篇博客中，我們了解了如何使用串聯(lián)電阻器防止放大器輸入出現過(guò)電壓情況。在下一篇博客中，我們將討論絕對最大額定參數表中的其它額定參數。我希望該探討內容能幫助您避免出現我在大學(xué)時(shí)經(jīng)歷的煙火場(chǎng)景。 |
