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模拟器件应用若干注意事项
tao0821 | 2008-10-25 14:49:28    阅读:3966   发布文章

附录二 模拟器件应用若干注意事项
尊敬的用户,本手册中的器件的基本特性也许您已经了解了,在这里我们还想结合模拟电路的特点就如何提高器件的使用可靠性和客户反馈的或应用时容易忽略的一些问题做一些简要说明。
一.模拟器件的抗静电损伤能力问题
大多数用户在系统的前置放大和直接耦合放大场合都较偏重使用诸如OP07、OP27、OP37、OP77、OP177、OPA2277、OPA4277等器件,认为用起来比较顺手且流行。的确,这类器件的失调电压、增益、共模抑制比、温度特性、时间漂移等主要指标均相当不错。但是这些器件的抗静电能力和抗电浪涌能力均远不及大多数CMOS器件。以AD公司的OP07AJ/883B为例,同相、反相输入端对正负电源端的抗静电损伤阈值电压(人体模型)约为700~1000V不等。出现这样情况也不足为奇,因为这类器件在设计时为了保证几个主要电参数达标,在第一级差分对管均采用了超β结构,EB结做得非常薄从而使得器件对静电特别敏感。
这就和复杂的机电设备日益严酷的静电和电浪涌环境形成了明显反差。所以尽管许多公司在手册中注明某个器件能够达到多大的抗静电能力,但还是建议用户在测试和使用时一定要有防静电措施。需要强调指出的是:无数实践证明,即使用户在二筛和安装过程中加强了防静电意识、系统也能通过功能测试,但并不能确保系统的长期安全性。其原因一是静电放电损伤有一个累积效应。二是对于来自系统内、外的电浪涌或快速电瞬变(FET)仅靠器件内部的保护电路往往是不够的。
针对以上情况,我们开发了单路HJ088、双路 DOP-07AMJ/37AMJ、DOPA111BMJ系列抗静电运算放大器。该系列电路抗静电损伤阈值电压可达4200V,其它主要电参数均优于HA-2640、DOPA111BMJ 、OP-07A/37A。达到了国军标静电敏感度III类大于4000V的要求。
二.“紫斑”问题
近几年发现很多功率器件或耐高温器件,只要内部采用了金、铝键合,经过长时间使用或高温后,由于金、铝两者化学势能的不同,在金、铝键合处都会不同程度产生Al2Au化合物(俗称“紫斑”),致使键合处接触电阻增大,电参数退化,键合强度下降,严重时导致器件开路失效。这种现象就是可靠性界常谈及的“紫斑灾祸”。
现在,我们经过长时间的研究和实践,从线路设计和工艺改进两方面着手,较好地克服了“紫斑灾祸”对耐高温器件的影响,提高了器件的可靠性,开发了如DOP-07AMJ/37AMJ、DOPA111BMJ、HJ087、HJ088、HJ089、HJ823、HJ824、HJ0041系列运算放大器/功率放大器,HJ094、HJ095、HJ42117、HJ42118系列耐高温高精度稳压器。
三.塑封器件的可靠性问题
随着系统级功能的不断增强和进一步减小体积的要求,越来越多的用户在军用系统中选用塑料微封装器件,如INA128UA、AD620AR、OP07CD、OP177FS/GS、OPA2277UA、LM124D、LM148MW、OPA4277UA等。认为这些器件体积小且检漏和三温测试均合格。这其实是一个有很大风险的误区。
作为封装的材料,无论是改性环氧树脂还是硅酮树脂,都是非密封材料。塑封器件初期很容易通过军标规定的氦检漏试验。在长期使用的条件下,潮气的吸附和渗透只是一个时间问题。水分子和塑封材料内的某些成份会使管芯及其电极系统发生复杂的物理及化学反应,高温环境下加速了这些反应,造成器件性能不稳。严重时硅铝丝在芯片的压焊点处会被腐蚀开路。
其次,遇高温时,水分汽化,内部气压突然升高,会造成塑封材料与芯片剥离或爆裂。另外,塑封器件是实腔结构,也就是说硅铝丝被塑封材料紧密的包裹在一起,而所有用来封装集成电路的塑封材料均是热固型的,它和硅铝丝的热膨胀系数不同,经过多次温度循环或恶劣环境下剧烈的温度冲击后,由于热应力的不匹配,会将内引线(硅铝丝)拉断,造成开路失效。有些器件在焊接过程中都会出现内引线断开现象,这也就是为什么出现有些微封装器件在板级使用时用手按着工作正常,松开就不正常这一现象的原因。
因此,从长期可靠性的角度讲,塑料微封装电路要慎用。如果必须要使用这类器件,应尽量选用美军标优选目录中列出的产品。因为这些产品在加工时对塑封材料作了很多改良,属于加固型塑封器件。
实际上,空腔设计的气密性器件最适合军用严酷的环境要求。而减小体积、提高组装密度又是系统级设计时有时必须面对的事实。所以我们建议客户最好选用“空腔”型的陶瓷微封装器件,空腔可以给内引线一个热膨胀空间,在剧烈的温度变化下引线不至于被拉断。如我们生产的DOP-37AMJ、DOP-07AMJ、HJ088、MXT251A、MXT622A等。
四.正确理解“绝对最大额定值”和“电特性”
手册中“绝对最大额定值”是在极限条件下测出来的,这些值只代表器件可能具有的最大能力。实践中为了使器件能够长期可靠工作,应使用推荐的工作条件,特别是不允许使用多个极限条件同时存在的情况。
所有器件“电特性”一栏中所列的电参数可能会随批次的不同略有不同,但都在规范值范围内,另外会随工艺的改善而提高。这些情况用户在设计时应予以考虑。
五.应用中应注意的其它几个问题
1.对于耐高温器件和功率器件,尤其在全温度范围和满负荷下运用时,器件自身会有不同程度有温升,必须考虑器件的安全工作区(SOA)。建议用户考虑配合适的散热器,以使器件自身温度尽可能靠近环境温度。
2.对于功率运算放大器,在驱动感性负载时,建议用户在器件的输出端对正、负电源端加反向箝位二极管(一般为快恢复管)以吸收负载的反电动势,保护器件不会受过电应力损伤。
3.对于大多数运算放大器,尤其是高精度、低漂移运放的使用,特别是电源距运放有较长引线的场合,器件容易出现自激振荡,建议用户在最靠近器件的正、负电源端对地各加两只旁路电容,一个取值在102~103之间,一个取值在104~105之间,以确保电路回路不会出现寄生振荡。另外,这样做也有利于降低器件的输出噪声。对于一些高压摆率器件和宽带运算放大器,旁路电容有时需要加大到10μF左右,而且要选用高Q值电容,电容的材质最好为钽电容、独石电容、瓷石电容,不能用寄生电感量大的电解和涤纶电容。
4.对于高精度运算放大器,如DOP-07/37,HJ087、HJ088、HJ089等,用户在选用时必须留意全温度范围下的电参数变化量,这是硅半导体集成电路本身的特点决定的。建议用户在全温度范围内使用时必须考虑降额设计。
5.对于一些高精度器件,用户在二次筛选和复测试时,尤其是做低温实验时,必须考虑到测试环境的湿度可能对器件电参数测试结果造成的影响。如OP07A在环境的相对湿度达到85%以上时,Ib、Ios经常超标。这种情况的出现是因为器件的外引腿间吸附湿气引起的,不表示器件电参数不合格。
6. 大多数运算放大器(仪表运放除外)在使用时闭环增益不应设置的太大。闭环增益过大会造成输出零位和零位的温度系数过大、频响变窄、容易自激等现象的出现。系统的稳定性会受到很大影响。
缓冲放大器的使用则要注意另外一种情况。有些缓冲放大器当增益为+1使用时,可能会产生振荡,而当增益为+3或+5以上时才是稳定的。
7.对于大多数运算放大器(功率运放除外)和比较器,当被驱动的负载等效电容CL≥1000pF时,必须要考虑相应处理方法,以保护运算放大器的输出管不受损坏。如一个较简便的方法就是在运算的输出端到负载端串联一个小电阻(以不影响正常工作为宜)实现退耦的目的。
8.没有调零端的运算放大器用在一些多级直接耦合放大器或其它一些对运放输出零位要求非常严格的场合时,可考虑在运放输入相加点上采用如下图所示的方法进行调零。
如上图介绍的方法在应用时要考虑调零回路的对地阻抗要和RI相匹配,否则达不到调零的目的。对于更严格的调零场合,R1和R2应考虑用恒流源代替。
这种方法适合于如LM158/124/148、OP727、OPA2277、OPA4277、HJ088、DOP-07、DOP-37、QOP-07、QOP-37的调零回路。
本方法不适合如AD620、INA128、INA118、MXT118、MXT128的调零。这些仪表运放有一个专门的调零端,而且要求低阻态。
9.共模抑制问题。运算放大器、比较器、A/D转换器,在应用时都必须考虑共模信号的影响。以运算放大器为例,在同相放大、差分放大、反相放大运用中,同相放大共模电压影响最大(尤其是闭环放大倍数为1时),差分放大次之,反相放大最好。过大的共模信号会造成运算放大器共模击穿,输出波形畸变。所以,应用时输入共模电压应小于器件的共模输入电压范围。
10.地线串扰问题。复杂的机电系统往往包括了对几个模拟量的放大、比较、A/D或D/A转换,数字信号处理和执行机构,地线的串扰在所难免。它会造成运算放大器振荡、零位误差增大、比较器的比较基准不稳、A/D转换器的量化误差增大、边沿触发器误动作等情况的出现。
为了避免或减小地线的串扰,除了在电源对地加有效旁路电容(前面谈过)外,建议用户注意以下几点:第一、严格区分数字地和模拟地;第二、功率放大器、高速电路、执行机构尽可能布置在最靠近电源的区域;第三、比较器的地线一定要按数字地处理;第四、运算放大器的地线一定要按模拟地处理;第五、尽可能加大模拟地的有效面积。
 

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