探索供应电源关闭时的‘Off-amps’问题

除了静电放电(ESD)测试以外，放大器的所有特性都是以电源开启的状态下所呈现的，因此，当电源供应关闭时，放大器所呈现性能的问题──‘离线放大器’(off-amps)，并不是件容易事先预测的事情。要回答关于off-amp的问题，必须对放大器内部的晶体管位准运作、off-amp在无电源下要如何运作、连结至off-amp的外部电路为何、以及该外围电路在无电源下要如何运作等都有详尽了解。  

我所接到的多数off-amp问题都与电压有关，但不是供应电压。此处的电压通常是应用于off-amp输入或输出的电压。想要节省电源，使用者必须选择性地关闭系统中的某些部份。此举常常会使电压被应用到系统中的未通电部份。使用者通常会想知道off-amp对于此迷走电压(errant voltage)将会有何种反应，同时他们应当要采取何种预防措施，以确保off-amp的安全性。  

想要知道如何保护off-amp，首先须注意ESD保护二极管，它是放大器保护措施的最前线。ESD二极管可以保护放大器，使其免于短期间的高电压，但假如通过二极管的电流未被限制，就可能因为长时间处于较低的dc电压而使其受损或被破坏。图1为具有ESD保护二极管的典型运算放大器(op amp)。  



图1：off-amp中从+IN到供应极的电流路径。  

从D1到D7的二极管构成了放大器ESD保护网络。位处来自于另一组保护网络±IN之间虚线内的二极管，可保护放大器的输入级不会遭遇过电压情况。处于反向并联(anti-parallel)网络中的串联二极管数量会随放大器的不同而改变。要估计介于放大器输入之间的二极管数量，可参考该放大器数据表中绝对最大额定参数表格当中的差动输入电压。  

当放大器的电源供应被关闭时，处于±IN上的电压就可以启动从D1至D4的二极管。图1展示了从+IN通过保护二极管，一直到供应极的电流路径，假设接地的回返路径存在时。红色的走线所代表的是正电压通往+Vs的路径；蓝色走线所代表的则是负电压通往-Vs的路径。当有电压出现在off-amp之输出时，就可以描绘从输出经过D6与D7二极管至供应极的类似路径。而最重要的安全预防措施就是对进入off-amp接脚的电流加以限制。  

缺少电流限制，二极管及放大器可能会受损或被破坏。通常我们建议将进入到任何放大器接脚的电流限制在5mA或更低。而一般须追加一组串联电阻。图2为限流的off-amp架构。在正常运作下，Rs只会对整体电路功能产生很小影响。假设在±Vs接脚都接地的最差情况下，可用下列方程式计算出Rs：  



图2：加以电流限制的放大器。  

另一个最近关于off-amp的问题则是与场效晶体管输入放大器有关，使用者想要知道在非反相输入的情况下，被设定为单一增益的off-amp是否还能够产生高输入阻抗至dc电压。  

就像外交官常说的，我的答案是：“是的，但也不是”。off-amp输入对低于0.6V的电压产生了高输入阻抗，这是因为ESD二极管的导通至少需要0.6V。在没有导通路径的情况下，输入仍然可以呈现高阻抗的状态。然而，假如输入电压大于0.6V时，电流就会开始流经ESD二极管以及off-amp内部的其它潜藏路径。想要限制位于D3电流的流动，就得利用上述的方程式求解Rs。在off-amp输入上施加4V电压，在更坏情况下，Rs至少要达到680奥姆。  

在这些应用领域中，反极性(reverse polarity)保护将会有所帮助。反极性保护能够确保电路安全，即使是将错误的极性供应电源连接到系统偏压接脚上。采用反极性保护是一个简单、低成本的保险策略，它仅需使用一对二极管。若施加正确的电源供应极性，二极管为正向偏压，电路就会如预期般运作。若施加反向电源供应极，二极管为反向偏压。此时电流无法通过，电路因而受到保护。图3为具有反极性保护二极管的放大器。  



图3：具有反极性保护的运算放大器。

反极性保护二极管也允许在较大输入范围之上实现高输入阻抗，这是因为二极管加入了一组额外的电压降，此电压降必须在电流开始流动前先加以克服。藉由使用外接二极管RPD1，可轻易避免电流通过D3流到+Vs接脚。对正电压而言，RPD1是反向偏压，可避免电流通过D3。电流不会经由反向偏压ESD二极管D4从输入流到负轨，但它会寻找另一条通过FET输入级PN结的路径。二极管RPD2会形成额外的电压位障，在任何的电流通过前，都必须克服此电压势垒。  

图4所示为用来量测off-amp输入阻抗的测试电路。注意到Rs比方程式中所需要的更大。较大的电阻甚至会对电流产生限制，目前该测试电路已在实验室中实现了。  



图4：off-amp输入阻抗测试电路。

图5所示为没有反极性保护二极管时FET off-amp的输入阻抗。输入阻抗会随着升高的偏压而降低，使D3更难以开启。



图5：没有反极性保护二极管时，off-amp的输入阻抗。  

图6为两种带有适当反极性保护之不同负载条件的输入组抗。注意图6中的Y轴采用MΩ而非图5中的KΩ。反极性保护二极管提供了三阶的振幅改善。断点所代表的是off-amp中，随着输入电压提高而被启动的不同结点。反极性保护二极管可以针对断点协助升高阈值。在此处应用中，负载阻抗值是一项重要考虑。一组被加载至接地的低阻抗分流器会替电流的流动提供并联的低阻抗路径，而且让这个方法变成无效。因此，使用者必须了解off-amp在无电源下会有什么样的动作，以及相连结的电路会如何运作。  



图6：具有反极性保护二极管时，off-amp的输入阻抗。

探索off-amp是一项挑战，因为必须考虑许多因素。放大器的类型、外围电路、以及输入与输出电压都相当重要。保护off-amp的最好方法，就是确保任何会接触到off-amp电路的电源都能够同时关闭。若难以实现，就必须确保进入off-amp的电流能有所限制。如果你需要额外的协助，请务必与应用工程师共同检查。