Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa

ghost666 23 Paź 2015 15:26 1977 0
  • W sytuacji gdy do wejścia wzmacniacza operacyjnego przyłożone zostanie nadmiernie wysokie napięcie, diody dedykowane do ochrony przez wyładowaniami elektryczności statycznej (ESD) stanowią ostatnią linię ochrony układu przez zniszczeniem przez impuls wysokiego napięcia. Dzięki zrozumieniu tego w jaki sposób diody ESD implementowane są w urządzeniach półprzewodnikowych projektanci systemów elektronicznych znacznie poprawić 'przeżywalność' wzmacniaczy w sytuacjach narażenia na nadmiernie wysokie napięcie. Zadaniem poniższego artykułu, jest przybliżenie czytelnikom różnego rodzaju implementacji zabezpieczeń ESD spotykanych w scalonych wzmacniaczach operacyjnych i tego jak wykorzystać je do zwiększenia niezawodności projektu.

    Wstęp

    W wielu aplikacjach wzmacniaczy operacyjnych (op-ampów) wejście nie jest podłączone do systemu, a do zewnętrznego świata, na przykład w aplikacjach takich jak urządzenia kontrolne i pomiarowe. W niektórzy przypadkach, gdy do systemu podłączone są różnego rodzaju sensory, na wejściu op-ampa wystąpić może napięcie przekraczające maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe danego układu scalonego. W wymienionych aplikacjach, stosuje się dodatkowe systemy ochrony wejścia wzmacniacza przed nadmiernym napięcie, aby uczynić urządzenie bardziej niezawodnym. Czasami w tym celu stosuje się także wbudowane w układ scalony diody ESD do zabezpieczenia układu, jednakże aby było to możliwe, trzeba ostrożnie rozważyć opisywaną sytuację, aby upewnić się, że takie ich wykorzystanie nie spowoduje uszkodzenia układu w sytuacji nadmiernego napięcia na wejściu. Uwzględnić trzeba wiele czynników w tym, między innymi, architekturę systemu zabezpieczenia ESD op-ampa. Jeśli zrozumie się jak różne implementacja tych diod mają wpływ na zachowanie w przypadku wystąpienia wysokiego napięcia na wejściu, z pewnością łatwiej będzie projektować niezawodne systemy wykorzystujące wspomniane diody zabezpieczające do dyssypacji wysokiego napięcia na wejściu.

    Konfiguracje diod ESD na wejściu op-ampa

    Zrozumieć trzeba, że nie wszystkie układy diod ESD to zwykłe systemy ograniczania napięcia do poziomu pomiędzy napięciem zasilania i masą. Istnieje szereg rozmaitych implementacji tego rodzaju elementów w układzie - szeregowe połączenia, diody z rezystorami i inne. Poniżej opisano szereg typowych, często spotykanych konfiguracji diod ESD w scalonych wzmacniaczach operacyjnych.

    Diody podłączone do napięcia zasilającego

    Rysunek 1 pokazuje przykład wzmacniacza operacyjnego, w którym diody podłączone są pomiędzy piny wejściowe op-ampa a napięcia zasilające (lub napięcie i masę). Diody są spolaryzowane zaporowo w normalnych warunkach pracy, ale gdy napięcie na wejściu wzrośnie powyżej dodatniego lub poniżej ujemnego napięcia zasilania diody przechodzą do pracy w polaryzacji w kierunku przewidzenia. W takiej sytuacji przez diodę zaczyna przepływać prąd - od wejścia do szyn zasilania układu scalonego.





    W przypadku pokazanym na rysunku 1 prąd wejścia nie jest ograniczany przez sam układ, a jedynie przekierowywany gdy napięcie wejściowe przekracza napięcie zasilania i układ taki wymaga zewnętrznych elementów, pozwalających na ograniczenie prądu. Wbudowane w układ oporniki 400 Ω zapewniają, do pewnego stopnia, ograniczenie prądu wejściowego gdy napięcie wejściowe jest niższe niż ujemne napięcie zasilania - trzeba brać to pod uwagę, projektując system z op-ampem o takiej konfiguracji diod ESD.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 1 Topologi zabezpieczenia ESD układu AD8221.


    Rysunek 2 pokazuje uproszczony schemat wewnętrzny wzmacniacza z podobną architekturą, jednakże z dodatkowo wbudowanymi opornikami o rezystancji równej 2,2 kΩ, które szeregowo włączone w wejście ograniczają prąd. Taka architektura różni się od powyżej tym, że ograniczenie prądowe funkcjonuje dla napięć wejściowych przekraczających każde z napięć zasilania a nie tylko ujemne. Dodatkowo trzeba pamiętać, że rezystor ma większy opór w tym przypadku, co przekłada się na poziom ograniczenia prądowego.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 2 Topologia zabezpieczeń ESD AD8250.


    Ograniczające prąd JFETy

    W odróżnieniu od układów implementacje których pokazano na rysunku 1 i 2 wykorzystanie JFETów do ograniczenia prądu wejściowego nie wymaga stosowania transili w układzie scalonym. Na rysunku 3 zaprezentowano przykładową topologię w której wykorzystano te elementy do ograniczenia napięcia wejściowego, gdy przekroczy ono zakres napięć dozwolonych dla danego układu. Zaprezentowany układ ma JFETy skonfigurowane do pracy do 40 V, ponieważ JFETy ograniczać będą prąd płynący przez piny wejściowe, nie można wykorzystać w tym układzie dodatkowych zabezpieczeń w postaci diod ESD.

    W urządzeniach, gdzie wymagane jest zabezpieczenie przed napięciem do 40 V JFETy sprawdzają się idealnie. Elementy te zapewniają w pełni kontrolowaną i niezawodną opcję na wprowadzenie ochrony przed wysokim napięciem. W odróżnieniu od diod zabezpieczających prąd ograniczenia jest dla JFETów dokładnie znany, a w przypadku diod w karcie katalogowej znaleźć możemy jedynie szacowany prąd lub w ogóle informacji tej nie ma.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 3 Topologia zabezpieczeń ESD AD8226.


    Stosy diod

    w aplikacjach gdzie napięcie wejściowe może przekraczać napięcia zasilania, stosuje się stosy diod, do dodatkowego zabezpieczenia wejść przed impulsami ESD. Rysunek 4 pokazuje wzmacniacz w którym zaimplementowano stos diod jako układ zabezpieczający przed ESD. W takiej konfiguracji stos diod wykorzystany jest do zabezpieczenia przed ujemnym napięciem na wejściu (niższym niż ujemne napięcie zasilania). Taka architektura pozwala na ograniczenie prądu upływu w zakresie użytecznych napięć wejściowych i jednocześnie zapewnia ochronę wejścia, gdy napięcie na wejściu spadnie poniżej napięcia zasilającego. Pamiętać trzeba, że jedyne ograniczenie prądu, jakie zrealizowane tutaj zostanie, to takie jakie daje szeregowo połączona rezystancja diod. Dodatkowo wpięta w wejście rezystancja szeregowa pozwala na zmniejszenie prądu wejściowego do układu.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 4 Zabezpieczenia przed niskim napięciem na wejściu w AD8417.


    Przeciwsobnie spięte diody

    Kolejną topologią, jaką wykorzystuje się w sytuacjach gdy napięcie na wejściu może przekraczać napięcie zasilania to diody spięte przeciwsobnie. Na rysunku 5 pokazano wzmacniacz, który wykorzystuje taki układ diod do zabezpieczenia wejścia przed impulsami ESD. W przypadku tego układu napięcie na wejściu może dochodzić do 70 V, przy zasilaniu 3,3 V. Diody D4 i D5 to wysokonapięciowe diody, które służą od izolacji diod D1 i D2 od wysokiego napięcia. Diody D1 i D2 służą do ograniczenia prądu upływu z systemu w czasie, gdy na wejściu układu znajduje się napięcie w zakresie dozwolonych napięć. W zaprezentowanej konfiguracji wykorzystanie diod ESD do zabezpieczenia przed nadmiernym napięciem nie byłoby zazwyczaj rekomendowane, ponieważ przekroczenie dozwolonego napięcia od strony ujemnej może bardzo łatwo doprowadzić do sytuacji, której konsekwencją będzie permanentne uszkodzenie układu.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 5 System zabezpieczenia przed nadmiernym napięciem w AD8418.


    Brak zabezpieczeń ESD

    W niektórych układach zabezpieczeń przed ESD po prostu nie ma. Jak łatwo się domyślić, w takiej sytuacji nei ma czego wykorzystywać do konstrukcji zabezpieczeń przed zbyt wysokim napięciem. Ten rodzaj architektury wspominany jest tutaj, ponieważ takie układu także znajdują się w sprzedaży. Rysunek 6 pokazuje układ tego rodzaju, w których wykorzystano oporniki o dużej rezystancji do realizacji zabezpieczenia wejścia wzmacniacza.

    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 6 Topologia (braku) zabezpieczeń ESD AD8479.


    Zabezpieczenia przed ESD i transile

    W dodatku do zrozumienia tego jakie implementowane są zabezpieczenia ESD, koniecznie zrozumieć trzeba jak wykorzystują one różne struktury do ograniczania prądu. W typowej aplikacji szeregowy rezystor wykorzystuje się do ograniczenia prądu w zadanym zakresie napięć.

    Jeśli wzmacniacz skonfigurowany jest tak, jak pokazano na schemacie na rysunku 7, gdzie wejścia zabezpieczone są przez diody, prąd wejściowy ograniczony jest do wartości opisanej następującym równaniem:

    $$I_{DIODE} = {V_{STRESS}-(V_{SUPPLY}+0,7 V}\over{R_{PROTECTION}}$$ (1)


    Wykorzystanie wbudowanych transili do ograniczenia napięcia wejściowego op-ampa
    Rysunek 7 Wykorzystanie diod ESD jako ograniczników napięcia


    Zakładamy w równaniu (1), że $$V_{STRESS} > V_{SUPPLY}$$. Jeśli nie jest to prawda, konieczny jest dokładniejszy pomiar spadku napięcia na diodzie niż założenie iż wynosi on 0,7 V.

    Poniżej zaprezentowani przykładowe obliczenia, dla napięć zasilania równych ± 15 V i impulsie wysokiego napięcia o napięciu ± 120 V. Zakładamy ograniczenie prądu na poziomie 1 mA. Wyliczamy zatem rezystancję potrzebną do ograniczenia prądu na wejściu z pomocą równania (1):

    $$1 mA = {120 V - (15 V + 0,7 V}\over{R_{PROTECTION}}$$ (2)


    $$R_{PROTECTION} = 104300 \omega$$


    Zatem, aby ograniczyć prąd do wartości nie przekraczającej 1 mA, musimy zastosować opornik o rezystancji większej niż 105 kΩ.

    Zrozumieć ograniczenie prądowe

    Maksymalna wartość prądu diody zależna jest od elementu elektronicznego i konkretnej aplikacji w jakiej pojawia się wysokie napięcie. Prąd maksymalny będzie inny dla sytuacji w której wysokie napięcie do pojedynczy milisekundowy impuls, a inne gdy prąd płynie w sposób ciągły przez 20 lat działania systemu. Wyznaczniki co do wartości maksymalnej prądu diody znaleźć można w karcie katalogowej każdego z układów scalonych. Prąd ten zazwyczaj jest w zakresie od 1 mA do 10 mA.

    Rodzaje awarii

    Maksymalny prąd dla danego układu będzie ograniczony dwoma czynnikami - westiami termicznymi w układzie i maksymalnym prądem toru po jakim będzie on płynął. Ilość rozpraszanego ciepła powinna być poniżej progu, jaki zapewnia, że temperatura układu będzie na dozwolonym poziomie, a prąd powinien być utrzymany w zakresie nie powodującym problemów wywołanych elektromigracją.

    Kwestie termiczne

    Gdy przez diody ESD w układzie płynie prąd, zwiększa się ich napięcie z uwagi na odkładanie się na nich pewnego napięcia. Większość wzmacniaczy operacyjnych w swoich kartach katalogowych specyfikuje rezystancję cieplną, zazwyczaj pomiędzy złączem (strukturą krzemową) a otoczeniem w postaci ӨJA. Parametr ten, zasadniczo, wyznacza o ile rośnie temperatura dla danej mocy rozpraszanej na układzie. Analiza największego możliwego wzrostu temperatury dla danej traconej mocy, wraz z założoną najwyższą temperaturą pracy układu pozwoli na wyznaczenie na ile sensowny jest opracowany przez nas układ zabezpieczający.

    Elektromigracja

    Nawet jeżeli płynący prąd nie generuje problemów z nadmiarem ciepłą to płynący prąd generować może obniżenie niezawodności układu. Każda ścieżka w półprzewodnikowym układzie scalonym, przez którą płynie prąd, ma swój ograniczony czas życia. Ograniczenie to wynika z zjawiska elektromigracji (Link). Ograniczony elektromigracją prąd diod jest zależny od grubości ścieżek w układzie scalonym, które połączone są z diodami. Informacja na temat wartości tego prądu nie jest zawsze publikowana w karcie katalogowej, jednakże trzeba rozważyc tą kwestię, szczególnie, jeśli diody mają przewodzić przez dłuższy czas, a nie tylko impulsowo.

    Przykładem systemu w którym elektromigracja w ścieżkach wzmacniacza stanowi problem, może być układ, który monitoruje napięcie zasilania układu. Z uwagi na sekwencjonowanie załączania napięć zasilających w systemie, który posiada wiele domen zasilania, następować może sytuacja w której monitorowane napięcie jest już załączone, a napięcie zasilania op-ampa nie, co powoduje przepływ napięcia przez diody ESD w układzie. Jeśli tak jest, to należy rozważyć jaki czas prąd płynie przez te diody w czasie całego życia urządzenia, a w konsekwencji upewnić się, że nie przekracza się ani czasu ani prądu, przy którym zjawisko elektromigracji ma negatywny wpływ na niezawodność układu.

    Podsumowanie

    Zrozumienie jak wewnętrzne zabezpieczenia ESD wzmacniaczy operacyjnych aktywowane są w różnych sytuacjach, gdy na wejściu obecne jest nadmierne napięcie, pozwala na lepsze zrozumienie jak zaprojektować bardziej niezawodny system. Rozważenie zagadnień związanych z ilością generowanego przez zabezpieczenie ciepła i zjawiskiem elektromigracji, pozwala na upewnienie się, że czas sprawnego życia projektowanego urządzenia, będzie taki jak się zakłada. Rozważania takie mogą też pozwolić dostrzec słabe strony projektu, jeszcze w fazie prototypowania, co pozwala na wprowadzenie zmian w projekcie i w konsekwencji zwiększenie niezawodności finalnego urządzenia.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-10/esd-diodes.html


    Fajne!