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终结运算放大器通电问题
类比技术学院专栏(1)

【作者: NS】2004年09月03日 星期五

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由于许多电子系统越来越着重节约能源,再加上这些系统增大,设计也较为复杂,因此系统设计工程师都喜欢利用电源管理技术将部分暂时不需使用的电路关闭,直至重新使用为止。我们很容易便可停止部分电路的供电,但要重新为其供电则并非一般人所想像那么简单。我们不但要考虑通电步骤的先后次序,而且可能要改变系统的部分设计,以确保每一组电路都可顺利通电启动,如果系统设有运算放大器,这两个问题更尤其不能忽视。


一般来说,必须按照以下三个步骤启动运算放大器:


  • (1)确保放大器有适当的接地


  • (2)为放大器供电之前,确保放大器的输入接脚并无剩余电压


  • (3)开始供电



第一步是先要确保放大器有适当的接地,这一步实行起来简单容易,而且可以让放大器的接地接脚长期处于连接状态。第三步是为放大器供电,这一步也很简单,虽然有时供电过快或过慢也会产生问题。


为放大器供电之前,要确保放大器的输入接脚并无剩余电压,这是较难掌握的一步。


为放大器供电时,若放大器的输入接脚在通电时还有剩余电压,便会出现三个常见的现象。第一个现象是放大器出现锁存,但受影响的主要是CMOS放大器。另外两个现象分别是:


  • (1)电流会透过静电释放二极体馈送到系统的其他部分


  • (2)电压输出极不稳定



两者对任何类型的放​​大器都会有坏的影响。因此必须修改系统设计,以便将这些影响减至最低。


锁存会令晶片受热而溶化

若放大器内各电晶体与安放电晶体的晶粒基体之间的P-N接面形成寄生的SCR晶片,便会出现锁存现象。 SCR属于四层式(PNPN)的晶片,一旦触发通电,便会持续通电,直至供电停止。



《图一 PNP及NPN晶体管互连电路图》
《图一 PNP及NPN晶体管互连电路图》

(图一)是互连的PNP及NPN电晶体的电路图。这幅图显示PNP或NPN电晶体的基体一旦出现任何电流,电流会自动反覆产生电流,并将整个电晶体结构锁定在“开启”的状态之中。若电晶体之间的连接受热熔化或零组件爆裂,电流通常会立即停止。不过一般来说,这是CMOS晶片的问题。


可以将高电阻值电阻与放大器的输入接脚串联,以便降低出现锁存现象的机会。但千万不要忘记测试电路在不同温度及供电电压下的反应,也不要忘记测试电源供应器的启动速度,以确保锁存现象不会出现。


另外,也可限制流入放大器供电接脚的电流,但这样做不会防止锁存现象出现,最多只能避免放大器受损。若放大器出现锁存现象,必须停止为其供电接脚及输入接脚供电,然后才可重新启动放大器供电。


静电释放(ESD)二极体提供一条可以通电的通道

新一代放大器的接脚全部都设有一对静电释放(ESD)二极体,其作用是保护零件内的精密电路,以免在拾放及装配的过程中受到静电的伤害。


正如(图二)所示,若正极的静电闯入输入接脚,高端二极体会将电能传送到电源供应器的正极干线。若闯入的是负极静电,低端静电释放二极体便会获得正向偏压,并将输入接脚的电压钳定,确保能与底部干线电压保持一致。按照这个设计,所有接脚的电压都会被钳定,确保与供电接脚的电压相差不会超过0.6V。



《图二 静电释放(ESD)二极管》
《图二 静电释放(ESD)二极管》

<注:若低阻抗电源与没有通电的放大器输入接脚连接,输入电流会流入静电释放二极体,不但为放大器提供供电,而且也会为系统的其他电路提供供电。 >


图二的电路图显示若停止为放大器提供供电时,其中一条输入接脚仍有低阻抗电压,这样必定会衍生连串问题。输入接脚的静电释放二极体将会导电,而输入电流将会因为二极体出现压降而传送到供电接脚,由此可见问题完全在于低阻抗输入电压。若有百万欧姆(megohm)的电阻连接输入接脚,便会产生足够的电流为静电释放二极体提供正向偏压,但图中所提供的3微安培(μA)电流便无法发挥作用。


但试想以下这个假设性的情况:假设放大器的输入接脚直接与电池连接。这个低阻抗电源可以提供大量电流,其电流量足以为二极体提供正向偏压,然后将电流传送到电路板的所有供电节点,启动整个系统。若电流量够大的话(约100mA),静电释放二极体会熔化及出现短路,零件也会因此而受损,这是任何放大器制造商都要面对的问题。


若要解决这个问题,只需将输入接脚与电阻串联一起便可,这与解决锁存问题的方法相似。这样可确保电流较弱,不足以透过静电释放二极体为系统提供供电。静电释放二极体本身可以承受高达几十毫安培(mA)的电流,受损的机会非常低。一般来说,这只不过是一个浪费多少能源的问题,在绝大部分情况下零件本身不会受损。应尽量确保电源管理系统终止电路的所有功能,包括提供供电及输入等功能。若系统有某一部分电路无缘无故不断耗电,便必须首先检查这部分的电路。


启动不稳定

系统若未能及时获得电源供应,便会产生(图三)电路图所示的问题。放大器若以低于其指定的电压作业,便不能保证放大器可以继续提供稳定的输出。且大部份会发生输出电压出现温和的或什至大幅度的波动,由供电电压范围的一端跳至另一端,直至放大器在某一最低的作业电压稳定下来为止。若系统的某些重要功能需要放大器的输出为其提供供电,在放大器获得所需的最低供电电压之前,系统将无法稳定执行这些重要功能。



《图三 系统未获得电源供应所产生的问题》
《图三 系统未获得电源供应所产生的问题》

<注:放大器若与缓慢启动的电源供应器连接一起,放大器的输出会出现无法预测的波动,直至放大器获得所需的最低供电电压为止。 >


系统若过早获得供电,有时也会出现问题。快速的上升时间可能会与输出耦合一起,产生有问题的错误讯号。


无论在任何情况下测试放大器,都必须采用制成品所配备的同一电源供应系统进行测试。过去曾经有很多惨败个案,它们的共通点皆为负责的工程师采用实验室的电源供应器开发及测试类比系统,然后将测试合格的电源供应器移植到制成品内,与充满杂讯的软启动开关稳压器连接一起。


温度过低也会产生问题

大部分系统设计工程师也将高温问题视为首要解决课题。原因在于零组件太热会浪费能源,以及影响系统的稳定性,甚至会使零件熔化。另一方面,温度过低也会对半导体产生不利的影响。


温度变化会对电晶体的物理特性产生不利影响。如温度下降时,电晶体的基极/射极电压会随着上升,甚至有可能上升至1V。若VBE为1.0V,要想设计一款能利用1.2V供电电压作业的半导体便倍加困难。



《图四 作业温度下降,晶体管的基极/射极电压会上升》
《图四 作业温度下降,晶体管的基极/射极电压会上升》

<注:晶片若在较低的温度下作业,电压的最高极限会不断缩小,令系统无法正常作业。 >


 


此外,在低温环境作业时,晶片能否保持其稳定性也是另一问题。例如,电容值不很大的电容负载有时会出现振荡,这种情况不会在室温下出现。必须小心查阅相关零组件资料表有关温度效应的图表部分,而且测试及评估系统的稳定性时,除了测试系统在高温区的反应之外,同时也要测试其低温反应。


当然也可选用设有停机模式的晶片。只要确保放大器不断有电源供应,便可减少锁存及透过静电释放二极体馈电的问题。


采用停机模式时,为了将供电电流减至最低,晶片基本上会停止提供内部偏压。此外,放大器的输出会改用高阻抗模式。


不同的输出加载情况、输出电压以及输入阻抗会令放大器的启动及关闭时间出现较大的波动。但一般来说,波幅不会超过1ms。 (本文由美国国家半导体提供)


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