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Absolute Grenzdaten

Absolute Grenzdaten sind Bedingungen, die niemals, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden sollten. Beispielsweise kann die Bereitstellung einer Spannung über dem Maximalwert und/oder die Verwendung in einer Umgebung außerhalb des Temperaturbereichs möglicherweise eine Verschlechterung von IC-Eigenschaften oder sogar Schäden verursachen.
In diesem Abschnitt werden die Parameter erläutert, die für absolute Grenzdaten für OpAmps und Vergleicher aufgeführt sind.

Speisespannung/Betriebsspeisespannung

Die absolut maximale Nennspannung bezeichnet die maximale Spannung, die zwischen den positiven Versorgungs- (VCC) und negativen Versorgungs- (VEE)Pins bereitgestellt werden kann, ohne Anzeichen einer Verschlechterung oder Beschädigung des internen Schaltkreises zu verursachen.
Ein Beispiel für eine Speisespannung, die für einen OpAmp/Vergleicher mit einer maximalen Nennspannung von 36 V angewendet werden kann, ist dargestellt.

Beispiel für eine Speisespannung, die für einen 36V-IC angewendet wird

Die absolute maximale Nennspannung gibt die Spannungsdifferenzen zwischen den VCC- und VEE-Pins an. Hierbei müssen die VCC-VEE-Werte in der richtigen Reihenfolge vorliegen, um sicherzustellen, dass die absolute maximale Nennspannung nicht überschritten wird.
Legt man 24 V am VCC-Pin und -12 V am VEE-Pin an, kommt es weder zu einer Verschlechterung der Eigenschaften, noch zu Schäden, da die Spannungsdifferenzen 36 V betragen.
Es ist zu beachten, dass es einen Unterschied zwischen der absolut maximalen Nennspeisespannung und der Betriebsspeisespannung gibt.
Die absolut maximale Nennspeisespannung gibt die maximale Speisespannung an, die in einem Bereich angelegt werden kann, in dem es zu keiner Beschädigung Zerstörung des ICs kommen kann, nicht um einen Spannungsbereich für die Aufrechterhaltung von Spezifikationen und Eigenschaften.
Um die in den Spezifikationen aufgeführten Eigenschaften vollständig zu erreichen, muss eine Spannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs verwendet werden.
Bitte beachten Sie jedoch, dass in einigen Fällen die absoluten Grenzwerte der Eingangsspannung und die der Betriebsspannung gleich sind.

Eingangsspannungsdifferenz

Die Eingangsspannungsdifferenz ist die maximal zulässige Spannung an den Pins am +Eingang (nicht invertierender Betrieb) und am -Eingang (invertierender Betrieb), ohne dass sich die Eigenschaften des Schaltkreises verschlechtern.
Diese Spannung eignet sich als Referenzspannung sowohl für den Anschluss des invertierenden als auch für den Anschluss des nicht invertierenden Betriebs und bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen. Die Polarität ist nicht von Bedeutung.
Das Potenzial der einzelnen Eingangsanschlüsse muss mindestens so groß sein wie das Potenzial am VEE-Pin.
Der Grund dafür ist, dass ein ESD-Schutzelement in den IC eingebaut ist. Wenn das Potenzial am Eingangspin niedriger ist als VEE, fließt der Strom vom Anschluss über das ESD-Schutzelement. Das kann zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen bzw. einen Schaden verursachen.
Das Schutzelement kann zwischen VEE (GND) und dem Eingangspin verbunden werde (siehe linke Seite der folgenden Abbildung) oder den Eingangspins und VCC und VEE (GND). d.h. über 2 Strompfade.

Eingangsspannungsdifferenz

Im ersten Fall gibt es keinen Strompfad zur VCC-Seite. Die Spannungsdifferenz wird von der Stehspannung des Transistors (NPN, PNP) bestimmt, der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und unabhängig von VCC ist.

Im zweiten Fall gibt es das Schutzelement auch an der VCC-Seite. Das Potenzial des Eingangspins muss niedriger sein als VCC. Deshalb bestimmt sich das Spannungspotenzial wie folgt: VCC-VEE oder VDD-VEE.

Einige OpAmps haben eine NPN-Eingangsstufe und zum Schutz zwischen der Basis und dem Emitter wird eine Diode zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltet oder Komponenten mit einer Eingangsspannungsdifferenz von mehreren Volt.

Eingangsspannungsdifferenz (mit Klemmschutz)

Gleichtakteingangsspannung

Der absolute Grenzwert der Gleichtakteingangsspannung gibt die höchste Spannung an, die ohne Verschlechterung der IC-Eigenschaften oder Schaden angelegt werden kann [vorausgesetzt, dass dasselbe Potenzial an beiden Pins, dem +Eingang (nicht invertierender Betrieb) und -Eingang (invertierender Betrieb) anliegt}.
Der absolute Grenzwert der Gleichtakteingangsspannung garantiert im Unterschied zum Bereich der Gleichtakteingangsspannung, die in den elektrischen Eigenschaften aufgelistet ist, den Normalbetrieb des IC nicht.
Um den Normalbetrieb des IC zu gewährleisten, muss der Bereich der Gleichtakteingangsspannung eingehalten werden.
Der absolute Grenzwert der Gleichtakteingangsspannung beträgt im Allgemeinen VEE-0,3 V und VCC+0,3 V. Bei Produkten ohne Schutzelement auf der VCC -Seite kann unabhängig von der Versorgungsspannung eine Spannung bis zum absoluten Grenzwert der Eingangsspannung (d.h. VEE+36 V) anliegen.
Auf diese Weise bestimmen die Schutzschaltkreiskonfiguration des Eingangspins sowie parasitäre Elemente die Stehspannung des Eingangstransistors und andere Faktoren die Gleichtakteingangsspannung.
Wird außerdem Durchlassspannung in das ESD-Schutzelement (Diode) gespeist, geben VEE-0,3 V und VCC+0,3 V den Spannungsbereich an, in dem das Schutzelement nicht funktioniert.

Absoluter Grenzwert für die Gleichtakteingangsspannung

Eingangsstrom

Bei Differenz- und Gleichtakt-Eingangsspannungen führt die Eingabe einer Spannung kleiner als VEE-0.3V oder größer als VCC+0.3V dazu, dass Strom durch die Ausgangsklemme fließt, was möglicherweise zu einer Verschlechterung und/oder Beschädigung der Merkmale führt.
Um dies zu verhindern, kann eine kleine Klemmdiode mit dem Eingangs-Pin verbunden werden, um die Durchlassspannung abzuklemmen. Oder es kann ein Widerstand eingefügt werden, um den Stromfluss zum Eingangs-Pin zu begrenzen.
Mit der ersten Methode wird die Spannung zum IC kontrolliert, mit der zweiten der Strom.
Stellen Sie den Widerstand so ein, dass der Strom weniger als 10 mA beträgt. VF wird eine Durchlassspannung von ungefähr 0.6 V zeigen.

Eingangsstrom limitierende Widerstandsverbindung, Eingangsschutz-Diodenverbindung

Betriebstemperaturbereich

Als Betriebstemperaturbereich wird der Bereich bezeichnet, in dem normaler Betrieb sichergestellt wird und in dem erwartete IC-Funktionen aufrechterhalten werden.
Einige IC-Eigenschaften basieren auf Temperatur.
Daher können bei 25C vorgeschriebene Werte, sofern sie nicht anders spezifiziert wurden, nicht garantiert werden.
Es gibt einen Parameter, der einen stabilen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich garantiert.
Fluktuationen von IC-Eigenschaften innerhalb der Betriebstemperaturbereichs werden berücksichtigt.

Maximale Sperrschichttemperatur/Lagerungstemperaturbereich

Die maximale Sperrschichttemperatur ist die maximale Temperatur, die der Halbleiter verarbeiten kann. Sperrschicht bezieht sich hier auf eine PN-Sperrschicht.
Wenn die Chip-Temperatur die Nenn-Sperrschichttemperatur übersteigt, werden im Halbleiterkristall Elektron-Dotierung-Paare generiert, was einen normalen Betrieb verhindert.
Daher müssen thermische Designs aufgrund von Stromverbrauch und Umgebungstemperatur die Wärmeentwicklung berücksichtigen.
Die maximale Sperrschichttemperatur wird durch Produktionsprozesse bestimmt.
Der Lagerungstemperaturbereich bezeichnet die maximale Temperatur während der Lagerung, wenn der IC nicht in Betrieb ist und keine Energie verbraucht wird.
Normalerweise ist dies die Entsprechung der maximalen Sperrschichttemperatur.

Höchstzulässiger Verlust (Gesamtverlust)

Höchstzulässiger Verlust (Gesamtverlust) bezeichnet den Strom, den ein IC bei einer Umgebungstemperatur von Ta=25°C verbrauchen kann. Wenn der IC Strom verbraucht, entsteht Hitze und die Chip-Temperatur übersteigt die Umgebungstemperatur.
Die zulässige Chip-Temperatur wird durch die maximale Sperrschichttemperatur bestimmt, wobei der höchstzulässige Stromverbrauch durch die Derating-Kurven begrenzt wird.
Der interne IC-Chip bestimmt den höchstzulässigen Verlust bei 25°C basierend auf der zulässigen Temperatur (maximale Sperrschichttemperatur) und dem thermischen Widerstand des Moduls (Wärmeableitungseigenschaften)
Die maximale Sperrschichttemperatur wird ebenfalls von den Produktionsprozessen beeinflusst.

Hitze, die durch IC-Stromverbrauch entsteht, wird durch die Harzform des Moduls, den Bleirahmen und andere Komponenten abgeleitet.
Der Parameter, der die Wärmeableitungseigenschaften bezeichnet, wird als thermischer Widerstand bezeichnet und folgendermaßen dargestellt: θj-a[℃/W].
Dieser thermische Widerstand ermöglicht die Schätzung der internen IC-Temperatur.
Ein Beispiel für den thermischen Widerstand eines Moduls ist unten dargestellt. θj-a wird bestimmt durch die Summe des thermischen Widerstands θj-c zwischen dem Chip und dem Gehäuse (Modul) sowie dem Gehäuse und der äußeren Umgebung θc-a.
Mit einem thermischen Widerstand θj-a einer Umgebungstemperatur Ta und einem Stromverbrauch P, kann die Sperrschichttemperatur mit der folgenden Gleichung berechnet werden.

Tj = Ta + θj-a × P [W]

Unten sind die thermischen Derating-Kurven dargestellt.
Diese Kurven geben die Menge an Strom an, die vom IC bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen verbraucht werden können, ohne die höchstzulässige Chip-Temperatur zu übersteigen.
Sehen wir uns als Beispiel die Chip-Temperatur von MSOP8 an.
Da der Lagerungstemperaturbereich des ICs von 55°C bis 150°C reicht, beträgt die höchstzulässige Chip-Temperatur 150°C. Mit einem thermischen Widerstand für MSOP8 von θj-a≒212.8℃/W und einem IC-Stromverbrauch von 0.58mW beträgt die Sperrschichttemperatur

Tj = 25[℃] + 212.8[℃/W] × 0.58[W] ≒ 150[℃]

Sobald die höchstzulässige Chip-Temperatur erreicht ist, kann kein Strom mehr verbraucht werden. Der reduzierte Wert pro 1°C der Derating-Kurven wird vom Kehrwert des thermischen Widerstands bestimmt.
Hier sind die thermischen Widerstände von unterschiedlichen Modultypen dargestellt. SOP8: 5.5mW/°C, SSOP-B8: 5.0mW/°C, MSOP8: 4.7mW/°C

Beispiel für thermische Derating-Kurven

Der thermische (Umgebungs-) Widerstand : θj-a=θj-c+θc-a[℃/W]
Hierbei ist θj-c der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse.
θc-a : Thermischer Widerstand zwischen Gehäuse und äußerlich 
Ta : Umgebungstemperatur
Tj : Sperrschichttemperatur

Die Neigung der Derating-Kurve ist der Kehrwert von θj-a

Thermischer Widerstand der Gehäuses