. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Problémy s přepětím u operačních zesilovačů
13. dubna 2010 - 14:00 | Bonnie Baker | Problémy s přepětím u operačních zesilovačů | Komentářů: 1  

Problémy s přepětím u operačních zesilovačů

Rozbor vlivu elektrického přepětí a elektrostatického náboje na funkci operačního zesilovače, analýza problémů a návrh optimálního řešení.

Nejčastější otázkou uživatelů operačních zesilovačů (OZ) je: „Může být v mé aplikaci napětí, přivedené na vstupy, někdy vyšší než napájecí napětí?“ Ano, takový případ může zcela běžně nastat například při existenci více zdrojů v aplikaci. Pokud jsou tyto zdroje následně zapnuty v různých časech, je zde vážné riziko přepětí na signálových pinech integrovaných obvodů. Tyto stavy se obecně nazývají: Electrical Overstress – EOS (elektrické přepětí). Dalším vyzdvihovaným případem může být stav, kdy je na vstup operačního zesilovače přiváděn signál z „vnějšího světa“, nebo z oddělené části systému s rozdílným napájením. Tímto stavem může přitom trpět i výstup operačního zesilovače.

Pokud chcete navrhovat systémy, které jsou spolehlivé, snadno vyrobitelné, s nízkou latencí i procentem selhání, čtěte dále. V tomto článku se zaměřme na uvedený problém hned ze dvou hledisek.

Pokud přemýšlíme o zesilovači, který byl vystaven stavům EOS, neměli bychom zapomínat ani na elektrostatický výboj (ESD). Ten na krátkou dobu vystavuje piny operačního zesilovače vysokému napětí s vybíjecí charakteristikou. Druhou (často přehlíženou) přetěžující událostí je však již zmíněná EOS. Stav EOS vystavuje piny obvodu řádově nižšímu napětí a proudu, ve srovnání s ESD, ovšem velmi často má mnohem delšího trvání. V průběhu tohoto článku se podíváme na veškeré podmínky kolem EOS a určíme si postup návrhu – plán protiútoku. Pomocí tohoto plánu budete schopni navrhovat robustní systémy, které dokážou zabránit poškození operačních zesilovačů a to i bez použití specializovaných integrovaných obvodů.


Obr. 1: Plně funkční IO před instalací

Poškození elektrostatickým výbojem
Jedním z hlavních zdrojů přetížení je elektrostatický výboj – ESD. Tam, kde jsou dva subjekty na různých elektrostatických potenciálech stovky nebo tisíce voltů vzdálených, avšak nacházejících se v těsné blízkosti u sebe, existuje značná pravděpodobnost pro vznik ESD události. Přenos elektrostatického náboje nastává mezi dvěma vodivými subjekty. K vlastnímu přenosu energie poté dochází tak dlouho, dokud nedojde k vyrovnání potenciálů a poklesu napětí.

Nejčastější situací, ve které dochází k ESD je doba, kdy je integrovaný obvod mimo cílovou aplikaci. Typicky se tak děje především v důsledku nesprávné manipulace s obvodem. Případné ESD se odehrává ve zlomku vteřiny, často méně než 250 ns. Proud, který je často i v řádech jednotek ampér, může téct do čipu prakticky neomezeně, pokud nenarazí na nějaký odpor.

Před desítkami let trpěli polovodičové obvody obvykle vážným poškozením od ESD. Konečným důsledkem poté bylo samozřejmě kompletní selhání integrovaného obvodu, nebo dokonce ještě zákeřnější, parametrická degradace. Nicméně, jakmile došlo k pochopení vlastností událostí ESD, začali všichni výrobci polovodičových prvků realizovat základní ochrany jako součást nového návrhu integrovaných obvodů. Tyto on-chip integrované ochranné prvky výrazně snižují pravděpodobnost poškození čipů z ESD.
Primární funkcí on-chip ESD ochran je snaha zabránit poškození od elektrostatického výboje v průběhu skladování a montáže na PCB. Během těchto operací jsou nízké impedance pinů obvodů využity jako absorpce případného náboje a k udržení potenciálu blízkého zemní ploše obvodu.

Scénář změny stavu obvodu po osazení na desku je následující. Po osazení obvodu jsou jeho piny, respektive samozřejmě i samotný čip, spojeny s dalšími prvky na desce. Tím se výrazně snižuje pravděpodobnost těchto problémů, neboť ve většině případů existují na desce s plošnými spoji nízkoimpedanční prvky. Po instalaci obvodů je tak velice pravděpodobné, že integrované ochrany těchto prvků nebudou již dále nikdy použity. To je dobrá zpráva!

Nicméně je tu i druhý případ. Z konstrukce vlastní aplikace mohou být integrované obvody vystaveny účinkům EOS. Navíc i obvody ESD ochran mohou být neúmyslně aktivovány během stavu EOS. Časová prodleva pro případ EOS je však v porovnání s ESD mnohem delší. Vedení proudu v průběhu vyvolání stavu EOS může být dostatečně velké a tak dlouho trvající, že ve svém důsledku může znamenat vytváření nebezpečného množství tepla uvnitř čipu. V této extrémní situaci je poškození čipu velmi rychlé a nevratné. Důsledkem je poškození / selhání celého systému.

Důsledky možného elektrického přepětí
Nevědomě bychom se mohli v navrhované aplikaci spolehnout na integrované obvody ESD pro zajištění ochrany před účinky EOS – i když k tomuto účelu nejsou vůbec určeny. Možná zjistíte, že máte integrovaný obvod, který je plně funkční, než je v aplikaci použit (obr. 1). Ve chvíli, kdy jsou do aplikace přivedeny vstupní signály je však náhle poškozen. Účinky EOS mohou být přitom tak drastické, že IO zahřejí na velmi vysokou teplotu, přičemž následně dojde k roztavení či poškození samotného pouzdra obvodu. Příklad takového poškození je dobře patrný na obr. 2.


Obr. 2: Poškozené IO po EOS

Integrované obvody operačních zesilovačů obvykle neobsahují ochranu proti účinkům EOS. V nejlepším případě mohou být v této situaci aktivovány vnitřní ESD ochranné obvody, které i zde mohou v jistých případech poskytnou dostatečně účinnou ochranu. Nicméně aplikované ESD ochranné obvody nikdy nezaručí, že budou účinné vždy a ve všech situacích EOS.

Současně vzniklá cesta proudu v případě EOS může být složitá a poněkud nepředvídatelná, o to více, jsou-li zpracovávány signály o vysokých frekvencích, kdy i nepatrné a vedlejší impedance začnou mít výrazný vliv na protékající proudy. Obrázek 3 ukazuje příklad několika možných proudových cest uvnitř zesilovače. Obvykle uzavřené ESD ochranné diody na vstupech poskytují v tomto případě velmi dobrou cestu stejnosměrnému proudu do napájecího napětí a T1.

Pokud jsou přebytečné proudy, spojené s událostí EOS, odvedeny do napájecího napětí zesilovače, může to způsobit změnu napětí na všech napájených obvodech a to až k nebezpečným hranicím. T1 se v zapojení stará o absorpci ESD událostí. Během události EOS je T1 aktivován a taktéž stabilizuje svorkové napětí v celém obvodu na bezpečnou úroveň. Nezapomeňte však, že většina ESD událostí se stane v době, kdy je integrovaný obvod mimo vlastní aplikaci. Nicméně, během EOS událostí v cílové aplikaci, může T1 sepnout i nechtěně. T1 poté zavádí nízký odpor spojení mezi napájecí piny operačního zesilovače. V tu chvíli však mohou tranzistorem téct i velmi vysoké a destruktivní proudy a to až do doby, kdy se T1 zcela roztaví a vytvoří pevný zkrat mezi napájecími piny zesilovače. To může mít samozřejmě za následek poškození i napájecích obvodů či vytvoření velmi vysoké teploty. Příklad takových účinků, orientovaných pouze na jediný obvod, jsou uvedeny na obr.2.


Obr. 3: EOS aktivuje řadu možných cest

Mezi hlavní konstrukční úvahy patří, ujistit se, že dané z cest, které procházejí zařízením, mohou bezpečně odolávat proudům a napětím přítomných během událostí EOS. Pokud nemáte možnost předvídat tyto podmínky a vaše IO není schopno pohlcovat tepelnou energii, může dojít k poškození obvodu. Informace o vnitřních ESD obvodech zesilovačů a předvídání chování obvodů při EOS je tedy účinným způsobem, jak předejít těmto problémům. Většina výrobců OZ poskytuje úplné informace o obvodech ESD ochran, integrovaných na jednotlivých pinech.

Příklady EOS stavů
Obrázek 4, vytvořený pomocí softwarového nástroje TINA a OPA364 makromodelu, zachycuje příklad jednoduchého analogového obvodu, vytvořeného s pomocí low-power OPA364 CMOS operačního zesilovače. Nízkofrekvenční signál VD1 představuje užitečný signál přicházející od analogového snímače. Čidlo je umístěno v určité vzdálenosti od zesilovače a kabel TL1 je oba spojuje. V takovémto případě mohou být nežádoucí proudy indukovány do vlastního kabelu kdekoliv po celé jeho délce.


Obr. 4: Stav vstupu po aktivaci ESD ochran

VG2 je neúmyslně zařazený přechodový signál v kombinaci s převodníkem výstupního signálu (VD1). Součet amplitud obou těchto signálů je vyšší než maximální stanovený rozsah vstupního napětí zesilovače. Z toho plyne, že dostatečně velký přechodový signál aktivuje na operačním zesilovači vstupní ESD ochranné prvky.

Sériový odpor, umístěný v přední části neinvertujícího vstupu operačního zesilovače, omezuje velikost výsledného vstupního proudu. ESD prvky jsou navrženy tak, aby bezpečně odvedly velmi krátké proudové pulsy pocházející z elektrostatického náboje. Jejich délka se pohybuje v rozmezí desítek až stovek nanosekund. Je-li však v průběhu činnosti aktivován stav EOS, je doba trvání současného vedení ESD ochran dána pulsem EOS, tedy délkou přepěťového pulsu. Obvyklý mezní trvalý proud integrovaných ESD prvků je v rozmezí pěti až deseti miliampér, přičemž jeho převýšení snižuje zároveň maximální dobu jeho možného působení. Pokud jsou při EOS dodrženy tyto mezní podmínky, mohou být i v těchto situacích užity ESD ochrany bez zásadního vlivu na funkčnost celého systému.

Existují aplikace, kde je vstupní signál přítomen ještě před připojením napájecího napětí k operačnímu zesilovači (obr. 5). Zde uvedené průběhy a hodnoty jsou opět vygenerovány s použitím softwarového nástroje TINA a OPA374 makrobuňky. Tento stav má významný potenciál na poškození vstupních ESD ochranných obvodů, pokud není včas omezen na bezpečnou mez.


Obr. 5: Sledujte průběh Vin při zapnutí

Na obr. 5 je zaznamenán náběh napětí VG2 z hodnoty 0 V na hodnotu 5 V za zhruba 50 ms. To je dosaženo při použití vstupního napětí VD1 v hodnotě 3,5 V, dostupném 5 ms pro zapnutí přístroje. V tomto případě mají vstupy zpočátku mnohem vyšší potenciál, než jaký je aktuálně dostupný na kladném napájecím pinu obvodu. Reálná situace je samozřejmě do značné míry ovlivněna ESD diodou na neinvertujícím vstupu OZ. Proud tekoucí do neinvertujícího vstupu je označen jako AM1 a protéká až do doby, kdy je rozdíl mezi vstupním napětím a napájecím napětím menší než 0,6 V. Pokud je na vstup obvodu připojen zdroj signálu s nízkým výstupním odporem, je zde jen velmi malé omezení protékajícího proudu, tekoucího ESD prvky operačního zesilovače do společné napájecí sběrnice. V rámci tohoto stavu je prakticky ničím neomezovaný proud veden právě přes ESD integrované ochranné diody. V řadě aplikací je však možné na vstup předřadit odpovídající omezovací rezistor, schopný udržet proud na přijatelné výši.

Vstupní hodnota VD1 dosáhne po zapnutí plného napětí (3,5 V) velmi rychle. Na druhou stranu, výstup VM1 dosáhne hodnoty odpovídající vstupnímu signálu velmi pomalu. Tento obvody tak vytváří velký rozdíl vstupní a výstupní hodnoty v okamžiku, kdy je zesilovač zapnut. Počáteční rozdíl mezi vstupní a výstupní hodnotou činí až 10 V. Po celou tuto dobu musí navíc vnitřní obvody zvládnout plnou hodnotu proudu, která teče do vstupu zesilovače (AM1) během tohoto období.

Další potenciálně nebezpečná situace nastává vždy, když je vstup zesilovače zatížen skokovou změnou signálu – rychlou náběžnou hranou (obr. 6). I tento údaj byl vygenerován s použitím softwarového nástroje TINA a knihovny OPA227. V tomto případě představuje signál VD1 skokovou změnu napětí 10 V obdélníkového pulsu na vstupu zesilovače. Zesilovač na vstupní impuls následně reaguje tím, že produkuje lineárně narůstající výstupní napětí. Výstupem operačního zesilovače je toto napětí omezeno katalogovou hodnotou, představující například 2 V/us u obvodu OPA227, která je dále ovlivněna součtem kapacity na výstupu.


Obr. 6: Reakce zesilovače na skokovou změnu na vstupu

Jak je patrné z obr. 6, v čase náběhu výstupního napětí existuje velký napěťový rozdíl mezi vstupem a výstupem, trvající až do doby dosažení maximální výstupní hodnoty. Počáteční rozdíl vstupního a výstupního napětí je tedy 10 V.Tento rozdíl se postupně snižuje v závislosti na nárůstu výstupního napětí a to až na konečnou úroveň. Vzhledem k tomu, že invertující vstup má zpočátku stejný potenciál jako výstup, je 10 V rozdíl i mezi oběma vstupy. Pokud OZ neobsahuje tzv. input-to-input camping, je možné zapříčinit tímto rozdílem poškození všech polovodičových tranzistorů vstupního uzlu OZ. Dnešní moderní bipolární zesilovače tyto vstupní ochranné obvody již téměř vždy obsahují, i tak je však potřeba mít toto při návrhu a výběru zesilovače na paměti.

Některé operační zesilovače vykazují inverzi výstupního napětí vždy, jakmile vstupní signál překročí výrobcem stanovený napěťový rozsah (obr. 7). Takové chování je často označované jako output-phase-inversion. Přesto že většina moderních operačních zesilovačů již takové chování nevykazuje, stále se najde řada těch, kteří jsou na tom opačně. Obvykle se tak děje pouze v případě, kdy vstupní signál překročí výrobcem stanovenou hodnotu, tzv. common-mode voltage range (CMV). Pokud operační zesilovač v tomto stavu otáčí fázi o 180°, je potřeba učinit preventivní opatření, aby se zabránilo či ideálně zcela vyloučilo dosažení této vstupní úrovně.


Obr. 7: Výstupní inverze při dosažení CMV vstupní úrovně

Na obr. 7 je vstup zesilovače zatížen napětím (VD1), zhruba o 0,5 V překračujícím záporné napájecí napětí. V ten okamžik dochází k inverzi výstupní úrovně z negativní do pozitivní hodnoty. Doba trvání tohoto stavu je prakticky neomezená a dále se může libovolně opakovat. I když toto není pro zesilovač destruktivní stav, je to maximálně nežádoucí situace, která může mít za jistých okolností destruktivní účinek na další obvody či zařízení. Například pokud je elektromechanické povahy (tj. motor, pohon, atd.).

Tento problém je možné odstranit tím, že se mezi neinvertující vstup a záporný pól napájení umístí malá signálová, reverzně orientovaná, Schottkyho dioda. Případný sériový vstupní odpor by měl poté zajistit omezení proudu tekoucí touto diodou.

Další problém může vzniknout z výstupů spínaných zdrojů, které mohou obsahovat vysoké frekvence, pocházející z převodu energie. I když je filtrace vždy neoddělitelnou součástí těchto zařízení, přechodové stavy mohou na výstupech produkovat špičkové překmity, vedené dále do napájecích pinů operačních zesilovačů. V případě, že toto špičkové napětí překročí limit napájecího napětí použitých obvodů, může to u nich vyvolat otevření ESD ochranných prvků a vytvoření vodivých cest z napájecích pinů.


Obr. 8: Ochrana proti překročení napájecího napětí

¨Jednou z možností ochrany obvodů před přechodovými stavy na napájecím napětí je použití RC nebo RLC obvodů (obr. 8). Ty mohou být realizovány s použitím běžných, integrovaných EMI/RFI filtrů. Je však možné setkat se s různými reakcemi obvodů v závislosti na impedančních vlastnostech RLC článků a vlastnostech zátěže.

Na obr. 8a je jednoduchý RLC obvod připojen k zatěžovacímu odporu. 5V napájecí zdroj dodává stejnosměrné napětí +5 V, které je dle simulace opatřeno 10 V pulsem s délkou trvání 1 us. To překračuje maximální mezní hodnoty některých low-power CMOS obvodů. 1 kohm odpor simuluje napájecí proud zesilovače, který se pohybuje kolem 5 mA.
Na uvedených záznamech průběhů je dobře patrný výsledek, kdy RLC obvod integruje napěťový puls, přičemž jeho výsledkem je exponenciální sinusový průběh s konečnou hodnotou +5 VDC. Malé předpětí by tak pro zařízení nemělo představovat vážnější problémy. Nicméně bude zde kombinováno s obvykle neznámou hodnotou RLC obvodu, což by v řadě případů mohlo znamenat i problémy pro celé zařízení. V případě operačních zesilovačů bude mít vliv především na výstupní offset. Operační zesilovače řady PSRR mohou dopomoci k minimalizaci změn výstupního offsetu, což je však pozoruhodná chyba. Při návrhu aplikaci se tak na tento typ ochrany nedá spoléhat, jelikož je zde celá řada neznámých činitelů.

Lepší a především dobře předvídatelnou metodou pro potlačení přechodového napětí jsou tzv. supresorové prvky (TVS) na napájecích svorkách (obr. 8b). TVS dioda je podobná Zenerově, ale je speciálně navržena tak, aby vydržela velmi vysoké přechodové proudy a špičkový výkon. Například TVS Littlefuse 1.5KE Series je k dispozici s reverzním záchytným napětím od 6,8 V do 550 V v jednosměrné i obousměrné konfiguraci. Špičkový výkon, který je dioda schopna pojmout, je až 1500 W po dobu 100 us impulsu. Jedná se tak o rychle reagující prvek s nanosekundovou odezvou. Zřejmá je tak výhoda rychlé reakce s minimální, pokud vůbec nějakou delší odezvou.

Obrázek 9 přibližuje kompletní systém ochrany před EOS pomocí vnějších prvků. Pokud víte, že interní ESD diody jsou dostupné na všech pinech operačního zesilovače, můžete některé ze zde uvedených externích prvků odstranit a spolehnout se na přiměřenou ochranu pinů příslušných operačních zesilovačů.


Obr. 9: Kompletní externí ochrana před EOS

SDIx Schottkyho diody poskytují základní ochranu vstupů před přepětím. R1 slouží k omezení proudu tekoucího těmito diodami na určitou, diodami danou mez. SDOx Schottkyho diody naproti tomu poskytují ochranu výstupní svorky. Pokud je potřeba použít tuto ochranu u výkonového zesilovače, použijte vždy Schottkyho diody. I zde však musí být proud omezen na hodnotu únosnou pro typ použitých diod. Jakmile začne vlivem přepětí protékat proud vstupními či výstupními diodami, musí být ihned sveden do napájecích sběrnic operačního zesilovače. Pokud k tomu nedojde, je zde riziko trvalého poškození použitého zesilovače. Pokud však napájecí sběrnice nedokáže, například na připojených kapacitách, vstřebat špičkové nebo i déle trvající nízko-impedanční předpětí svedené diodami, je potřeba osadit zde odpovídající Zenerovy diody nebo prvky TVS pro stejnosměrné napětí a to ideálně na každý diodový můstek. Většina zařízení je napájena jediným zdrojem, nebo je možné zaručit pouze jediný směr tekoucího proudu, který nikdy v průběhu funkce zařízení nebude střídavý. Zenerovy diody nebo jednosměrné polovodičové ochranné prvky tak nabízejí dostatečně robustní, avšak stále jednoduché a levné řešení pro udržení napájecího napětí na bezpečné úrovni.

Závěr
Stavy EOS mohou aktivovat vnitřní ESD ochranné prvky operačních zesilovačů. Řada návrhářů přitom může mít tendenci myslet si, že obvody ESD jsou vhodné i pro zpracování EOS. Avšak oba stavy jsou si v kontrastu, neboť události EOS mohou mít mnohem delší trvání. Je-li integrovaný ochranný obvod ESD aktivován stavem EOS, může zapříčinit změnu chování obvodu a proud tekoucí těmito diodami může vést až k nadměrnému zahřívání i případnému poškození obvodu. Pokud se tak potýkáme s návrhem systému, kde nelze vyloučit jeho vystavení EOS událostem, je potřeba chránit obvod jednoduchými vnějšími prvky. Menší návrh v zásadě jednoduchých ochran typu frond-end může v cíli znamenat ušetření velkých bolestí hlavy na back-end.

Reference

O autorech
Bonnie Baker je Senior Applications Engineer v Texas Instruments a byla spojena s analogovými a digitálními projekty a systémy po více než 20 let. Kromě jejího zaujetí k obvodům, má Bonnie potřebu sdílet dále své znalosti a zkušenosti. Napsala tak stovky článků, poznámek k návrhům a aplikačních poznámek a je navíc autorem knihy "A Baker’s Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers," či píše měsíční sloupec do magazínu EDN, "Baker je zkrátka nejlepší."

Thomas Kuehl je Senior Applications Engineer pro velmi výkonové lineární obvody v Texas Instruments. Před příchodem do této skupiny, strávil téměř čtvrtinu-století své kariéry jako produktový inženýr. Mezi ostatní Thomasovi zájmy patří hraní na kytaru, amatérské rádio (jeho volací značka je AC7A) a užívání si přírody. Thomas v minulosti publikoval kupříkladu sérii článků na téma komunikačních antén.







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Jak eliminovat napěťový offset OZ
Problémy s přepětím u operačních zesilovačů
Chyba zisku u operačních zesilovačů

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 13. 04. 2010 v 13:32 zaslal host
Offset
:-D Pekny clanek. Jen u obr.9 upozornim na mozne problemy od prosakujicich proudu diod do vstupnich svorek. Za urcitych okolnosti (volba OZ s unipolarnim/bipolarnim vstupem vs. volba diod)muze nepriznive ovlivnit trvaly vystupni offset. Lepsi je poctivy navrh tak, aby byl vstupni signal omezen na vstupu do zarizeni na max. vstupni uroven OZ. Mimo vstupni zesilovace bych toto asi volil vyjimecne. Nebo tam, kde dochazi ke zmene urovne napajeni napr. 15V -> 5V atd.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
WIZ108SR - RS422/RS485
Převodník TCP/IP <-> RS422 / RS485 s RJ45 konektorem.
Skladem od 649 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007