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跨阻放大器輸入輸出瞬態(tài)二極管會發(fā)熱嗎?

來源:
2025-06-19
類別:基礎(chǔ)知識
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文章創(chuàng)建人 拍明芯城

1. 瞬態(tài)二極管在跨阻放大器中的作用

跨阻放大器(TIA)常用于將電流信號(如光電二極管輸出)轉(zhuǎn)換為電壓信號。在輸入端或輸出端,瞬態(tài)二極管(TVS二極管)通常用于以下場景:

  • 輸入端保護:防止靜電放電(ESD)或過壓事件損壞運放或光電二極管。

  • 輸出端保護:防止輸出電壓超過運放或后續(xù)電路的耐壓范圍。

2. 瞬態(tài)二極管發(fā)熱的原理

瞬態(tài)二極管在正常工作狀態(tài)下(未觸發(fā)鉗位)幾乎不導(dǎo)通,因此不會發(fā)熱。但在以下情況下會發(fā)熱:

  • 過壓事件觸發(fā)鉗位:當(dāng)輸入/輸出電壓超過TVS的擊穿電壓時,TVS會導(dǎo)通并吸收能量,將電壓鉗位在安全范圍內(nèi)。此時,TVS的導(dǎo)通電流和鉗位電壓會產(chǎn)生功耗(),導(dǎo)致發(fā)熱。

  • 持續(xù)過壓或高頻過壓:如果過壓事件頻繁發(fā)生或持續(xù)時間較長,TVS會持續(xù)導(dǎo)通,功耗增加,發(fā)熱量顯著上升。

3. 跨阻放大器中瞬態(tài)二極管發(fā)熱的可能性

  • 輸入端TVS

    • 光電二極管輸出電流通常較?。╬A~μA級),輸入端電壓波動范圍有限,因此觸發(fā)TVS鉗位的概率較低,發(fā)熱風(fēng)險較小。

    • 但若系統(tǒng)存在強ESD或過壓干擾(如雷擊、電源波動),輸入端TVS可能被觸發(fā),導(dǎo)致短暫發(fā)熱。

  • 輸出端TVS

    • 跨阻放大器的輸出電壓可能因反饋電阻、運放增益或外部干擾而波動。若輸出電壓超過TVS擊穿電壓,TVS會導(dǎo)通并鉗位。

    • 高頻信號或大信號應(yīng)用(如高速光通信、脈沖激光探測)中,輸出端TVS可能頻繁觸發(fā),導(dǎo)致發(fā)熱。

4. 發(fā)熱的影響與風(fēng)險

  • 短期發(fā)熱

    • 短暫過壓事件中,TVS的發(fā)熱通常不會導(dǎo)致?lián)p壞,因為TVS設(shè)計有瞬態(tài)功率承受能力(如單次脈沖功率 )。

  • 長期發(fā)熱

    • TVS過熱損壞(如開路或短路)。

    • 鄰近元件(如運放、光電二極管)因溫度升高而性能下降或損壞。

    • 若TVS持續(xù)導(dǎo)通(如電源故障或系統(tǒng)設(shè)計缺陷),可能導(dǎo)致以下問題:

5. 如何避免或減少TVS發(fā)熱?

  • 合理選擇TVS參數(shù)

    • 擊穿電壓(:略高于系統(tǒng)正常工作電壓,避免誤觸發(fā)。

    • 鉗位電壓(:盡可能低,以減少功耗。

    • 脈沖功率(:根據(jù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過壓能量選擇。

  • 優(yōu)化電路設(shè)計

    • 在輸入端,增加濾波電容或限流電阻,減少ESD或過壓對TVS的沖擊。

    • 在輸出端,確保反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,避免輸出電壓異常波動。

  • 散熱設(shè)計

    • 對高頻或大功率應(yīng)用,選擇封裝散熱性能更好的TVS(如SMA、DO-218AB等)。

    • 在PCB布局中,為TVS預(yù)留散熱焊盤或熱過孔。

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6. 實際案例分析

  • 案例1:光電二極管輸入端TVS

    • 光電二極管輸出電流為10μA,跨阻放大器增益為10kΩ,輸出電壓為100mV。

    • 若輸入端TVS擊穿電壓為10V,正常工作時不會觸發(fā),發(fā)熱可忽略。

    • 若發(fā)生ESD事件,輸入電壓瞬間升至100V,TVS導(dǎo)通并鉗位至10V,功耗為 。若  為1A(短暫脈沖),功耗為90W,但TVS的  可能為1500W(如SMAJ10A),因此不會損壞。

  • 案例2:輸出端TVS

    • 跨阻放大器輸出電壓范圍為-5V~+5V,輸出端TVS擊穿電壓為±7V。

    • 若反饋網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致輸出電壓瞬態(tài)升至10V,TVS導(dǎo)通并鉗位至7V,功耗為 。若  為100mA,功耗為0.3W,長期發(fā)熱可能導(dǎo)致TVS過熱。

7. 結(jié)論

  • 瞬態(tài)二極管在跨阻放大器中通常不會發(fā)熱,但在過壓事件觸發(fā)鉗位時會發(fā)熱。

  • 發(fā)熱風(fēng)險取決于過壓事件的頻率、持續(xù)時間和能量

    • 低頻、短暫過壓:發(fā)熱可忽略。

    • 高頻、持續(xù)過壓:發(fā)熱顯著,需優(yōu)化設(shè)計。

  • 建議

    • 選擇合適的TVS參數(shù),確保其能承受系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過壓能量。

    • 優(yōu)化電路設(shè)計,減少過壓事件的發(fā)生概率。

    • 對高風(fēng)險應(yīng)用,增加散熱設(shè)計或監(jiān)測TVS溫度。

總結(jié):瞬態(tài)二極管在跨阻放大器中的發(fā)熱是可控的,但需通過合理設(shè)計和參數(shù)選擇來避免長期過熱風(fēng)險。


責(zé)任編輯:Pan

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