„Patent” 37, 1984

„Patent” 37, 1984

Każdemu wzmacniaczowi operacyjnemu podawany jest w Data Sheet wejściowy zakres napięć wspólnych gwarantujący poprawną liniową pracę oraz dopuszczalne ( to znaczy niepowodujące trwałego pogorszenia parametrów ) napięcie wspólne i różnicowe wejściowe różnicowe.

Dużą impulsową przeciążalność prądową mają diody, diody Zenera zwłaszcza w wykonaniach specjalnych do ochrony przepięciowej i tyrystory. Przeciążalność tranzystorów bipolarnych jest niewielka i ograniczona bardzo uciążliwym II przebiciem. Wykresy obszaru bezpiecznej pracy tranzystorów SOA dotyczą kombinacji Ic / Uce - t natomiast mało jest informacji o wstecznej wytrzymałości złącza Baza - Emiter pracującego jako dioda Zenera. Tak samo nie są publikowane informacje o wstecznej wytrzymałości złącz G-S/G-D złączowego tranzystora polowego JFet.

Bramki wejściowych tranzystorów JFet typu P w masowo produkowanych wzmacniaczach operacyjnych są przed przebiciem elektrostatycznym chronione diodami co bardzo mocno podnosi prąd polaryzacji wejść wynoszący typowo w temperaturze pokojowej 30-50 pA. Bramki wejściowych tranzystorów JFet w scalonych wzmacniaczach "elektrometrycznych" koncernów Analog Devices i Burr Brown nie są chronione. Cytat z Data Sheet do układu wzmacniacza operacyjnego Analog Devices AD515:

"The ADSI5A is guaranteed for a maximum safe input potential equal to the power supply potential. Many instrumentation situations, such as flame detectors in gas chromatographs, involve measurement of low level currents from high-voltage sources. In such applications, a sensor fault condition may apply a very high potential to the input of the current-to-voltage converting amplifier. This possibility necessitates some form of input protection. Many electrometer type devices, especially CMOS designs, can require elaborate Zener protection schemes which often compromise overall performance.

The AD515A requires input protection only if the source is not current limited, and as such is similar to many JFET - input designs. The failure mode would be overheating from excess

current rather than voltage breakdown. If the source is not current limited, all that is required is a resistor in series with the affected input terminal so that the maximum overload current is 0.l mA (for example, 1 MOhm for a l00 V overload). This simple scheme will cause no significant reduction in performance and give complete overload protection."

Ogromna większość produkowanych małosygnałowych dyskretnych tranzystorów JFet jest Symmetrical czyli elektrody Source i Drain są zamienne. Po podaniu napięcia wstecznego do G i S+D przekonujemy się że złącze Bramki zachowuje się jako dioda Zenera. Napięcie przebicia bramki dla testowanych popularnych tranzystorów BF245A i 2N3819 ( takie autor ma pod ręką i są one circa równoważne parametrami ) jest oczywiście większe niż podają producenci. Prąd bramki 1mA ( czyli dziesięciokrotnie większy niż dla wzmacniaczy elektrometrycznych AD ) wydaje się tranzystorom nie szkodzić ale to wymaga precyzyjnego dochodzenia. Dyskretny tranzystor JFet nie wydaje się być mocno podatny na ludzką i maszynową elektryczność statyczną ESD.

Niedopuszczalnie "mocne" przeciążenie skutkuje zmianą parametrów tranzystorów dyskretnych i scalonych a w końcu ich uszkodzeniem. Szczególnie podatne są na przeciążenia scalone tranzystory Super Beta o wzmocnieniach przekraczających 5000. Bez ochrony po przeciążeniu wzrasta napięcie niezrównoważenia i prąd polaryzacji skutkiem spadku wzmocnienia tranzystorów. Toteż wejście każdego wzmacniacza operacyjnego Super Beta jest integralnie chronione przez nadmiernym napięciem różnicowym i w aplikacji układu trzeba to wziąć pod uwagę bowiem próba podania napięcia różnicowego bez limitu prądu wejściowego kończy się uszkodzeniem wzmacniacza.

Toteż badając wytrzymałość dyskretnych lub scalonych tranzystorów JFet najlepiej jest ją badać w konfiguracji pary różnicowej wzmacniacza operacyjnego. Po podaniu bramce JFeta mocy wstecznej patrzymy ( po ostygnięciu ) czy nie zmieniło się napięcie niezrównoważenie i nie zwiększył się prąd polaryzacji bramki. Impuls elektrostatyczny ESD nie może ani trochę pogorszyć parametrów.

Bramki tranzystorów Power Mosfet mają dość dużą pojemność i przy zachowaniu minimalnych środków ostrożności tranzystory nie są podatne na elektryczność statyczną ESD mimo iż nie są wewnętrznie zabezpieczone. Natomiast dyskretne małosygnałowe tranzystory Mosfet są wprost niewiarygodnie delikatne i m.in. z tego względu wyszły z użytku. Toteż współczesne "radiowe" RF tranzystory Mosfet Dual Gate mają bramki chronione zintegrowanymi diodami Zenera. Energia do aktywacji uszkodzenia tlenku krzemu miedzy Gate a Source małego Mosfeta musi być okropnie mała skoro bramka ulega przebiciu po podaniu napięcia z regulowanego zasilacza rezystorem 10 MOhm ! Toteż wejścia układów scalonych z Mosfetami muszą być bezwzględnie wewnętrznie chronione !

Międzyszczytowe napięcie szumów znakomitego wzmacniacza elektrometrycznego AD549 w paśmie 0.1-10 Hz wynosi 4 uVpp. Dla popularnego i taniego wzmacniacza CA3140 BiMOS z wejściową parą różnicową P-Mosfetów jest ono conajmniej dwukrotnie większe ale zwiększając powierzchnie pary tranzystorów można je zmniejszyć. Jednak prąd polaryzacji bramki małego Mosfeta może być rzędu 10e-16A czyli o rzędy wielkości mniejszy niż najlepszego JFeta. Wejściowa para Mosfetów we wzmacniaczu operacyjnym CA3140 jest chroniona i układ ochrony daje upływ ale względnie mały na tle innych rozwiązań. Ochronne diody D3,D4,D5 mają parametry jak złącze B-E tranzystora NPN. Stąd wynika maksymalne nieniszczące napięcie różnicowe 8V. Normalnie przy pracy liniowej wzmacniacza obie diody D3 i D4 spolaryzowane są w kierunku przewodzenia maleńkim prądem upływu wstecznie spolaryzowanej diody D5 na której jest napięcie circa 1.5V. Na diodach D3 i D4 jest napięcie przewodzenia circa 150 mV. Jeśli wejściowe napięcie niezrównoważenia jest zerowe a diody D3 i D4 są identyczne to prądy polaryzacji wejść są identyczne. W praktyce elementy są odrobinę różne i różnica prądów czyli Offset wynosi około 5% prądu polaryzacji.

Przy podaniu do wejścia napięcia większego niż napięcie zasilania prąd płynie diodami D3 lub D4 i D5 i dalej złączami tranzystorów bipolarnych źródła prądowego. Warto byłoby sprawdzić czy nie wystąpi zatrzaśnięcie pasożytniczych tranzystorów w układzie tyrystora jak w cyfrowych układach CMOS. Co będzie jest dioda D4 będzie zwarta ? Cały prądu upływu popłynie do wejścia nieodwracającego wzmacniacza a do wejścia odwracającego popłynie tylko maleńki prąd proporcjonalny do wejściowego napięcia niezrównoważenia podanego do diody D3. Sprawdzono to praktycznie na uproszczonej makiecie z elementów dyskretnych.

Po zwarciu diody D3 ogromie spadnie prąd polaryzacji wejścia dodatniego. Prąd polaryzacji może być przy małym napięciu niezrównoważenia rzędu dziesiątek femptoamperów !

Wzmacniacz operacyjny CA3140 jest typu General Purpose czyli ogólnego przeznaczenia o symetrycznych obu wejściach. Można by go produkować w wersji elektrometrycznej (zwierając jedną z diod) o bardzo małym prądzie upływu wejścia ujemnego do zastosowań odwracających lub wejścia dodatniego do nieodwracających. Znacznie lepiej jest wspólny punkt połączenia D3,D4,D5 wyprowadzić jako Guard ( pod taką nazwą podobna funkcja jest w układach AD i BB ) i w zależności od potrzeby pracy odwracającej lub nieodwracającej łączyć go z odpowiednim wejściem wzmacniacza tak jak w aplikacjach podaje AD i BB ! Układ CA3140 produkowany jest w obudowach 8 pinowych. Co do regulacji napięcia niezrównoważenia CA3140 jest kompatybilny z układem LM741 i innymi. Pin 8 Strobe jest połączony z kolektorem tranzystora stopnia wzmocnienia napięciowego tak jak w innych wzmacniaczach nieskompensowanych wewnętrznie. Układ jest jednak wewnętrznie skompensowany. Po dołączeniu zewnętrznego kondensatora kompensacji częstotliwościowej między Strobe a OFFSET NULL 1 można wzmacniacz przekompensować co jest niezwykle rzadko użyteczne. Tak więc do zwolnionego pinu 8 ( bez funkcji STROBE i przekompensowania ) można by dołączyć Guard.

Żeby było śmieszniej to we elektrometrycznych wzmacniaczach AD i BB w 8 nóżkowych obudowach pin Guard jest właśnie na 8 ! Konieczna zmiana projektu masek nie wydaje się trudna

Britten, Brattain i Shockley pod koniec 1947 roku w Bell Laboratories przy okazji (!) odkryli tranzystor bipolarny próbując skonstruować tranzystor Fet teoretycznie znany już w latach dwudziestych ! Patenty Juliusa Lilienfelda na Feta są z lat dwudziestych i trzydziestych. JFet został opatentowany po raz pierwszy przez Heinricha Welkera w 1945 roku. Pierwszy JFet został skonstruowany w 1953 roku i pracował. Inżynieria materiałowa dostarczyła potrzebne materiały i zastosowano opracowaną technologie do produkcji tranzystorów bipolarnych.

Fotografie chipów układów CA3130 i CA3140 są znane i bez wielkiej filozofii maski do produkcji można opracować. Po opracowaniu i starannym przetestowaniu programu do mikrokontrolera tani układ do masowej produkcji produkuje się z pamięcią ROM "programowa maską". Koszt wykonania kompletu masek do mikrokontrolera z konkretnym programem wynosi circa 5-8 tysięcy dolarów. Widać z tego że wykonanie masek do fotolitografii nie jest aż tak strasznie drogie jak mogłoby się wydawać tym bardziej że maski do mikrokontrolera są o niebo trudniejsze niż do wzmacniacza operacyjnego. Aby nie naruszyć zastrzeżeń producenta do konstrukcji układu CA3140 można bez problemu zmienić stopień wyjściowy na bardziej konwencjonalny. Układ można zresztą ulepszyć na kilkadziesiąt sposobów.

Sensory elektrometryczne są stosowane w drogich i bardzo użytecznych przyrządach laboratoryjnych. Konstrukcja samych sensorów nie wymaga użycia jakiś wymyślnych technologi. O wiele większy problem jest z interfejsami do tych sensorów.