設計者は多くの場合、オペアンプが電気的オーバーストレス (EOS) にどの程度耐えられるのかという質問をします。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、製品の組み立て前と組み立て中の両方で、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、それが電気的オーバーストレス事象とどのように関連しているかを十分に理解しておくことは有益です。LM732x に含まれる ESD 回路の図を、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 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、これらは入力ピンや出力ピンから接続され、内部の電源ラインに戻るようルーティングされます。これらのダイオードは、オペアンプ内部の吸収デバイスや電源 ESD セルで接続されます。この ESD 保護機能は、双方向入力ダイオードも内蔵されており、入力トランジスタを大きな差動信号から保護することを目的としています。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 6-2 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。

ESD 電圧がアンプの複数の端子間に発生すると、1 つ以上のステアリング ダイオードを通じて電流が流れます。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。吸収デバイスは、LM732x の通常動作電圧より高く、かつデバイスのブレークダウン電圧レベルより低いトリガ電圧 (スレッショルド電圧) を備えています。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 (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 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。このデバイスをコンパレータ構成で使用すると、差動信号が大きい場合に双方向入力ダイオードをアクティブにできます。印加される電圧が特定の端子の動作電圧範囲を超える状況が発生することがあります。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。

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 回路は、入力電圧 (V_IN) が正電源電圧 (+V_S) を 500mV 以上上回る具体的な例を示しています。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_S 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 つのよくある疑問は、電源 +V_S または –V_S が 0V の状態で入力に信号が印加された場合、アンプに何が起こるのかという点です。ここでも、電源が 0V または入力信号の振幅より低いレベルにあるときの電源特性によって状況が変わります。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、外部ツェナー ダイオードを電源端子に追加します (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、電源端子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。

LM732x の入力端子は、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 (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、LM732x の低ノイズ性能を低下させます。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 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。