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。OPAx171 に含まれる ESD 回路を、図 7-1 に示します (破線で囲まれている部分)。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。

図 7-1 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

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 (スレッショルド電圧) は、OPAx171 の通常動作電圧より高く、デバイスのブレークダウン 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 7-1 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 7-1 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、上側のステアリング ダイオードの 1 つが導通し、電流を V+ 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ぎます。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。電源が高インピーダンスに見える場合、オペアンプの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されます。この状態は正常なバイアス条件ではありません。ほとんどの場合、アンプは正常には動作しません。電源が低インピーダンスである場合、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、外部ツェナー ダイオードを電源ピンに追加します (図 7-1 を参照)。通常動作中にダイオードがオンにならないようなツェナー電圧を選択します。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。

OPAx171 の入力ピンは、バック ツー バック ダイオードにより、過剰な差動電圧から保護されています (図 7-1 を参照)。ほとんどの回路アプリケーションでは、入力保護回路はアプリケーションに何の影響も及ぼしません。ただし、低ゲインまたは G = 1 の回路では、アンプの出力が入力ランプに十分な速さで応答できないため、これらのダイオードに高速ランプ入力信号によって順バイアスがかかる可能性があります。入力信号が十分に速く、この順バイアスの状況が発生する場合は、入力信号電流を 10mA 以下に制限してください。入力信号電流が本質的に制限されていない場合は、入力直列抵抗を使用して入力信号電流を制限できます。この入力直列抵抗は、OPAx171 の低ノイズ性能を低下させます。図 7-1 に、電流を制限する帰還抵抗を実装する構成例を示します。