一种驱动电路负输出电压幅度超差故障分析

张馨少，杨路华，毛国华

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

某批次成熟的驱动电路产品交付用户后，调试过程中个别产品出现了负输出电压幅度超差的故障。本文主要分析该故障现象，找出故障原因，采取措施杜绝该类故障再次发生。

1 产品概述

该产品由九组独立的电路组成，每组电路相同如图1所示。其中由“INPUT”输入控制信号，“OUTPUT”在控制信号作用下输出具有一定驱动能力的方波信号，用以驱动后级整机上的负载。电路输入电源电压为5 V（4～6 V）和-12 V（-11～-13 V），输入信号为周期420 ns，脉宽20 ns（VL=0.0 V，5.0 V≥VH≥3.0 V）的正脉冲。当输入信号为低电平时，三极管T1截至，输入电压5 V通过电阻R4为三极管T2基极提供电流，T2导通，输出为4 V左右的正输出。当输入信号为高电平时，三极管T1导通，T2基极通过导通的T1连接到-12 V输入上，T2截至，此时输出端通过二极管D1和三极管T1的集电极与发射极连接到-12 V，输出电压为-11 V左右。输出电压范围为正输出电压≥3 V，负输出电压（绝对值）≥-9 V。

图1 电路原理图

2 故障描述和分析

该产品交付用户后，用户反馈其负输出电平的测试结果在-7.5～-8.0 V之间，不满足大于-9 V（绝对值）的要求。

2.1 故障产品出厂原因分析

收到故障产品后，使用专用测试台对故障产品进行测试，未发现异常，其负输出电平指标测试结果均在-11～-11.5 V之间，对以前合格批次产品进行测试，负输出电平指标测试结果也均在-11～-11.5 V之间，两批产品的负输出电平指标测试结果无太大差异，均满足技术要求。将产品拿到用户处在整机上进行测试，其中故障产品负输出电平指标测试结果在-7.5～-8.0 V之间，指标超出要求范围，对以前合格批次产品进行测试，负输出电平指标测试结果在-10.2～-10.8 V之间，指标满足要求。两批产品在整机上的负输出电平指标测试结果出现明显差异，且故障产品超出指标要求范围。

从两次测试结果可知，在整机上测试和专用测试台测试时，两者之间测试结果有一定差异，整机板测试的输出信号幅度较低。在整机上测试时，两批产品有明显区别，故障产品的输出信号幅度比以前合格批次产品低。

经过现场分析，产品在整机上的工作状态与专用测试台上工作状态的差异，主要是由于整机板产生的输入信号和专用测试台产生的输入信号在上升沿时间上有较大区别，分别为4.6 ns和2 ns，整机板产生的输入信号上升时间较长。由于该路输入信号脉冲宽度只有20 ns，当输入信号上升时间较长时，有效脉冲宽度就相对减小，使得产品输出幅度在未达到正常值时输入信号就已改变，因此产品在整机上的测试结果相对在测试台上测试时要小，两者之间测试结果有一定差异。使用信号源模拟整机产生的输入信号测试产品，负输出电平指标测试结果同整机板上测试相同。

故该故障产品在经过全套试验和出厂检验后作为合格品出厂的原因为前期双方对测试输入条件约定不细致，造成在专用测试台和整机上测试结果偏差较大，未能及时将不合格品识别出来从而流入到用户处。

2.2 产品故障原因分析

在显微镜下将产品开壳进行检查，但产品线路、焊点以及元器件外观等方面均未发现异常。在整机产生的输入信号下，对比分析两只产品，发现将故障产品的前级三极管T1（FMMT2369A）更换为以前合格批次产品上所使用的三极管后，测试负输出电平指标由-7.5～-8.0 V升高到-10.2～-10.8 V，反复多次确认故障复现。由此可以判断出故障产品输出负电压幅值偏低的原因是该批次所使用的三极管性能上存在不足。

将两批次三极管从采购渠道、进厂检验、二筛以及试流等环节进行对比，没有发现两者的差异，因此判断其差异应发生在未检验项目上。三极管在进厂检验时主要测试了V(BR)CBO、V(BR)CEO、V(BR)CES、V(BR)EBO、VCE(sat)、VBE(sat)、hFE。三极管的指标如表1和表2所示。

表1 FMMT2369A产品指标1

表2 FMMT2369A产品指标2

将两批三极管送往第三方检测机构做电性能测试，发现两批三极管的放大倍数hFE和发射极开路时集电极与基极的反向电流ICBO两项指标有明显差异，但满足三极管指标要求。两批三极管电性能对比见表3。

表3 两批三极管电性能对比

由于主要是在放大倍数和发射极开路时集电极与基极的反向电流这两项指标上有差异，所以下面重点对这两项进行分析，找到引起故障的真正原因。

2.2.1 放大倍数hFE

（1）理论分析。前级交流通路如图2所示，电源电压视为短路，电阻电容串并联的阻抗为Z。

图2 前级交流通路原理图

|Z|=|(-j)/(2πfC1)+{(-j)*3300/(2πfC2)/(3300+(-j)/(2πfC2))}|≈7.4欧姆。

在输入高电平信号下（VM=4 V）：

Ib=（VM-Vbe）/|Z|- Vbe/R3=(4-0.7)/7.4-0.7/1800≈440 mA。

根据表1可知，三极管T1的最大IC≈(5V+12 V)/91欧姆≈180 mA。

三极管的最小放大倍数为20，则三极管进入临界饱和状态时的基极电流Ib=180/20=9 mA。

从前式可知，该电路在高电平信号时具有提供440 mA基极电流的能力，远大于三极管进入临界饱和状态时的基极电流9 mA。因此在最小放大倍数下，三极管已经进入饱和状态，在更大的放大倍数下，三极管更容易的进入饱和状态，在饱和状态下三极管的VCE几乎不会再变化。产品负输出电平的大小主要取决于三极管T1的VCE和二极管D1的压降，二极管D1的压降为恒定值，当VCE也几乎为恒定值时，VOH指标不变。因此从理论上可排除放大倍数的原因。

（2）试验验证。挑选合格批产品放大倍数分别为53和106的三极管，依次上到试验产品上，在整机产生的输入信号下，测试负输出电平指标并无明显变化，均为-10.5 V左右。然后挑选故障批产品放大倍数分别为56和100的三极管依次上到试验产品上，在整机产生的输入信号下，测试负输出电平指标并无明显变化，均为-8 V左右。由实验可知，在放大倍数有显著差异的情况下，产品负输出电平指标并无明显变化，因此从实验上可排除放大倍数的原因。

综上所述，理论计算和试验验证均排除了放大倍数差异引起的产品故障。

2.2.2ICBO—发射极开路时集电极和基极的反向电流

ICBO为发射极开路时集电极和基极的反向电流。对于PN结来说，当在PN结上外加反向电压后，PN结内部空间电荷区变宽加强了内电场，阻止扩散运动的进行加剧了漂移运动的进行，形成了反向电流。对于不同的PN结，在外加反向电压相同的情况下，空间电荷区越宽反向电流越大，同时空间电荷区越宽势垒电容也越大。势垒电容的大小影响着三极管的开关速度，ICBO越小，势垒电容也越小，三极管速度也越快，三极管的下降沿和上升沿也就越陡峭，反之越缓慢。三极管FMMT2369A的导通时间为小于12 ns，关断时间为小于18 ns，对于该产品由于输入信号为20 ns的窄脉宽，其时间宽度与三极管的导通和关断时间接近，使得产品输出在未达到最大值时输入信号就已改变，此时三极管的导通和关断时间影响着产品输出幅值的大小。因此ICBO的不同影响了三极管的开关速度，从而影响了输出负电平指标的大小。

从这两批三极管的ICBO对比可知，这两批所用三极管ICBO此项数值均满足≤25 nA的数据手册要求，但故障批所使用的三极管ICBO是合格批所使用三极管ICBO的20～120倍，因此两批三极管在下降上升时间上有明显差异，从而影响负输出电平指标有明显差异。

3 结 论

该批三极管（FMMT2369A）与之前供给的未出现异常的产品上使用的三极管参数ICBO存在差异，整体偏大，从而影响输出负电平指标，导致产品在整机上工作异常。为防止以后出现类似问题，在进厂检验时要求发射极开路时集电极和基极的反向电流ICBO≤150 pA，且在IC=100 mA和VCE=1 V时hFE≥55，同时在测试该指标时，用信号源模拟整机板产生的信号作为输入信号，规定低电平最低点VOH3≥-11.5 V（绝对值），最高点VOH3≥-10.0V（绝对值）。

通过分析该驱动电路负输出电压超差故障，更加深刻的理解了电路的工作原理，也同时提醒在设计时要计算准确并验证到位，深入分析出现的个别现象找到根源，避免后期由于器件参数波动引起的产品故障。