設計者は、オペアンプが電気的オーバーストレスにどの程度耐えられるのかという質問をすることがよくあります。これらの質問は、主にデバイスの入力に関するものですが、電源電圧ピンや、さらに出力ピンにも関係する場合があります。これらの各ピンの機能には、特定の半導体製造プロセスの電圧ブレークダウン特性と、ピンに接続された特定の回路とで決まる電気的ストレスの制限値があります。また、これらの回路には内部に静電気放電 (ESD) 保護機能が組み込まれており、製品の組み立て前にも組み立て中にも、偶発的な ESD イベントから保護します。

この基本的な ESD 回路と、電気的オーバーストレス・イベントとの関連性を十分に理解しておくと役に立ちます。OPAx182 に含まれる ESD 回路の図については、図 8-3 を参照してください (破線で囲まれた部分) 。ESD 保護回路には、いくつかの電流ステアリング・ダイオードが含まれており、入力ピンや出力ピンから内部の電源ラインへ戻るように配線されています。さらに、これらのダイオードは、オペアンプ内部の吸収デバイスにも接続されます。この保護回路は、通常の回路動作中は非アクティブに保たれるよう設計されます。

ESD イベントがあると、短時間の高電圧パルスが発生し、それが半導体デバイスを通って放電する際に、短時間の大電流パルスに変わります。ESD 保護回路は、オペアンプ・コアを迂回する電流経路を提供して、損傷を防止するように設計されています。保護回路によって吸収されたエネルギーは、熱として放散されます。

2つ以上のアンプ・デバイス・ピンの間に ESD 電圧が発生すると、電流は 1 つまたは複数のステアリング・ダイオードを流れます。電流が流れる経路に応じて、吸収デバイスがアクティブになります。吸収デバイスのトリガまたはスレッショルド電圧は、OPAx182 の通常動作電圧より高く、デバイスのブレークダウン電圧レベルよりも低くなっています。このスレッショルドを超えると、吸収デバイスが迅速にアクティブになり、電源レールの電圧を安全なレベルにクランプします。

オペアンプを回路に接続したとき (図 8-3 参照)、ESD 保護部品は非アクティブのままであり、アプリケーション回路の動作に関与しません。ただし、印加された電圧が特定のピンの動作電圧範囲を超える状況が発生する可能性があります。この状況が発生した場合、一部の内部 ESD 保護回路のバイアスがオンになって電流が流れるリスクがあります。このような電流の流れは、ステアリング・ダイオード・パスを経由して発生し、吸収デバイスが関係することはほとんどありません。

図 8-3 に、入力電圧 (V_IN) が正電源電圧 (V+) を 500mV 以上上回る具体的な例を示します。この回路で発生する現象の多くは、電源の特性によって異なります。V+ が電流をシンクできる場合、上側の入力ステアリング・ダイオードの 1 つが導通し、電流を +V_S へ導きます。V_IN が高くなると、非常に高いレベルの電流が流れる可能性があります。その結果、データシートの仕様では、アプリケーションが入力電流を 10mA に制限することを推奨しています。

電源が電流をシンクできない場合、V_IN はオペアンプへの電流ソースを開始し、その後、正の電源電圧供給を引き継ぐことができます。この場合の危険は、電圧がオペアンプの絶対最大定格を超えるレベルまで上昇する可能性があることです。

もう 1 つのよくある質問は、電源電圧 V+ または V- が 0V のときに入力に入力信号が印加された場合、アンプがどのように動作するかです。この質問は、0V 時または入力信号振幅より低いレベルでの電源特性に依存します。見かけ上、電源のインピーダンスが高い場合、オペアンプの電源電流は、入力ソースから電流ステアリング・ダイオードを経由して供給できます。この状態は正常なバイアス状態ではありません。アンプは正常に動作しない可能性がきわめて高くなります。電源のインピーダンスが低い場合には、ステアリング・ダイオードを流れる電流が非常に大きくなる可能性があります。電流レベルは、入力ソースが電流を供給できる能力と、入力パスに存在する抵抗によって異なります。

この電流を吸収する電源の能力が不確実である場合は、図 8-3 に示すように、外部ツェナー・ダイオードを電源ピンに追加する必要があります。このツェナー電圧は、通常動作中にダイオードがオンにならないように選択する必要があります。ただし、電源ピンが安全な動作電源電圧レベルを超えそうになった場合にはツェナー・ダイオードが導通する程度に、ツェナー電圧を低くする必要があります。

(1) V_IN = V+ + 500mV.

(2) TVS: 40V > V_{TVSBR (min)} > V+。ここで、V_{TVSBR (min)} は、過渡電圧サプレッサのブレークダウン電圧の最小規定値です。

(3) 推奨値は、過電圧条件で約 5kΩ です。

図 8-3 代表的な回路アプリケーションと比較して等価な内部 ESD 回路