一種驅動電路負輸出電壓幅度超差故障分析

張馨少，楊路華，毛國華

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

某批次成熟的驅動電路產品交付用戶后，調試過程中個別產品出現了負輸出電壓幅度超差的故障。本文主要分析該故障現象，找出故障原因，采取措施杜絕該類故障再次發生。

1 產品概述

該產品由九組獨立的電路組成，每組電路相同如圖1所示。其中由“INPUT”輸入控制信號，“OUTPUT”在控制信號作用下輸出具有一定驅動能力的方波信號，用以驅動后級整機上的負載。電路輸入電源電壓為5 V（4～6 V）和-12 V（-11～-13 V），輸入信號為周期420 ns，脈寬20 ns（VL=0.0 V，5.0 V≥VH≥3.0 V）的正脈沖。當輸入信號為低電平時，三極管T1截至，輸入電壓5 V通過電阻R4為三極管T2基極提供電流，T2導通，輸出為4 V左右的正輸出。當輸入信號為高電平時，三極管T1導通，T2基極通過導通的T1連接到-12 V輸入上，T2截至，此時輸出端通過二極管D1和三極管T1的集電極與發射極連接到-12 V，輸出電壓為-11 V左右。輸出電壓范圍為正輸出電壓≥3 V，負輸出電壓（絕對值）≥-9 V。

圖1 電路原理圖

2 故障描述和分析

該產品交付用戶后，用戶反饋其負輸出電平的測試結果在-7.5～-8.0 V之間，不滿足大于-9 V（絕對值）的要求。

2.1 故障產品出廠原因分析

收到故障產品后，使用專用測試臺對故障產品進行測試，未發現異常，其負輸出電平指標測試結果均在-11～-11.5 V之間，對以前合格批次產品進行測試，負輸出電平指標測試結果也均在-11～-11.5 V之間，兩批產品的負輸出電平指標測試結果無太大差異，均滿足技術要求。將產品拿到用戶處在整機上進行測試，其中故障產品負輸出電平指標測試結果在-7.5～-8.0 V之間，指標超出要求范圍，對以前合格批次產品進行測試，負輸出電平指標測試結果在-10.2～-10.8 V之間，指標滿足要求。兩批產品在整機上的負輸出電平指標測試結果出現明顯差異，且故障產品超出指標要求范圍。

從兩次測試結果可知，在整機上測試和專用測試臺測試時，兩者之間測試結果有一定差異，整機板測試的輸出信號幅度較低。在整機上測試時，兩批產品有明顯區別，故障產品的輸出信號幅度比以前合格批次產品低。

經過現場分析，產品在整機上的工作狀態與專用測試臺上工作狀態的差異，主要是由于整機板產生的輸入信號和專用測試臺產生的輸入信號在上升沿時間上有較大區別，分別為4.6 ns和2 ns，整機板產生的輸入信號上升時間較長。由于該路輸入信號脈沖寬度只有20 ns，當輸入信號上升時間較長時，有效脈沖寬度就相對減小，使得產品輸出幅度在未達到正常值時輸入信號就已改變，因此產品在整機上的測試結果相對在測試臺上測試時要小，兩者之間測試結果有一定差異。使用信號源模擬整機產生的輸入信號測試產品，負輸出電平指標測試結果同整機板上測試相同。

故該故障產品在經過全套試驗和出廠檢驗后作為合格品出廠的原因為前期雙方對測試輸入條件約定不細致，造成在專用測試臺和整機上測試結果偏差較大，未能及時將不合格品識別出來從而流入到用戶處。

2.2 產品故障原因分析

在顯微鏡下將產品開殼進行檢查，但產品線路、焊點以及元器件外觀等方面均未發現異常。在整機產生的輸入信號下，對比分析兩只產品，發現將故障產品的前級三極管T1（FMMT2369A）更換為以前合格批次產品上所使用的三極管后，測試負輸出電平指標由-7.5～-8.0 V升高到-10.2～-10.8 V，反復多次確認故障復現。由此可以判斷出故障產品輸出負電壓幅值偏低的原因是該批次所使用的三極管性能上存在不足。

將兩批次三極管從采購渠道、進廠檢驗、二篩以及試流等環節進行對比，沒有發現兩者的差異，因此判斷其差異應發生在未檢驗項目上。三極管在進廠檢驗時主要測試了V(BR)CBO、V(BR)CEO、V(BR)CES、V(BR)EBO、VCE(sat)、VBE(sat)、hFE。三極管的指標如表1和表2所示。

表1 FMMT2369A產品指標1

表2 FMMT2369A產品指標2

將兩批三極管送往第三方檢測機構做電性能測試，發現兩批三極管的放大倍數hFE和發射極開路時集電極與基極的反向電流ICBO兩項指標有明顯差異，但滿足三極管指標要求。兩批三極管電性能對比見表3。

表3 兩批三極管電性能對比

由于主要是在放大倍數和發射極開路時集電極與基極的反向電流這兩項指標上有差異，所以下面重點對這兩項進行分析，找到引起故障的真正原因。

2.2.1 放大倍數hFE

（1）理論分析。前級交流通路如圖2所示，電源電壓視為短路，電阻電容串并聯的阻抗為Z。

圖2 前級交流通路原理圖

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

在輸入高電平信號下（VM=4 V）：

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

根據表1可知，三極管T1的最大IC≈(5V+12 V)/91歐姆≈180 mA。

三極管的最小放大倍數為20，則三極管進入臨界飽和狀態時的基極電流Ib=180/20=9 mA。

從前式可知，該電路在高電平信號時具有提供440 mA基極電流的能力，遠大于三極管進入臨界飽和狀態時的基極電流9 mA。因此在最小放大倍數下，三極管已經進入飽和狀態，在更大的放大倍數下，三極管更容易的進入飽和狀態，在飽和狀態下三極管的VCE幾乎不會再變化。產品負輸出電平的大小主要取決于三極管T1的VCE和二極管D1的壓降，二極管D1的壓降為恒定值，當VCE也幾乎為恒定值時，VOH指標不變。因此從理論上可排除放大倍數的原因。

（2）試驗驗證。挑選合格批產品放大倍數分別為53和106的三極管，依次上到試驗產品上，在整機產生的輸入信號下，測試負輸出電平指標并無明顯變化，均為-10.5 V左右。然后挑選故障批產品放大倍數分別為56和100的三極管依次上到試驗產品上，在整機產生的輸入信號下，測試負輸出電平指標并無明顯變化，均為-8 V左右。由實驗可知，在放大倍數有顯著差異的情況下，產品負輸出電平指標并無明顯變化，因此從實驗上可排除放大倍數的原因。

綜上所述，理論計算和試驗驗證均排除了放大倍數差異引起的產品故障。

2.2.2ICBO—發射極開路時集電極和基極的反向電流

ICBO為發射極開路時集電極和基極的反向電流。對于PN結來說，當在PN結上外加反向電壓后，PN結內部空間電荷區變寬加強了內電場，阻止擴散運動的進行加劇了漂移運動的進行，形成了反向電流。對于不同的PN結，在外加反向電壓相同的情況下，空間電荷區越寬反向電流越大，同時空間電荷區越寬勢壘電容也越大。勢壘電容的大小影響著三極管的開關速度，ICBO越小，勢壘電容也越小，三極管速度也越快，三極管的下降沿和上升沿也就越陡峭，反之越緩慢。三極管FMMT2369A的導通時間為小于12 ns，關斷時間為小于18 ns，對于該產品由于輸入信號為20 ns的窄脈寬，其時間寬度與三極管的導通和關斷時間接近，使得產品輸出在未達到最大值時輸入信號就已改變，此時三極管的導通和關斷時間影響著產品輸出幅值的大小。因此ICBO的不同影響了三極管的開關速度，從而影響了輸出負電平指標的大小。

從這兩批三極管的ICBO對比可知，這兩批所用三極管ICBO此項數值均滿足≤25 nA的數據手冊要求，但故障批所使用的三極管ICBO是合格批所使用三極管ICBO的20～120倍，因此兩批三極管在下降上升時間上有明顯差異，從而影響負輸出電平指標有明顯差異。

3 結 論

該批三極管（FMMT2369A）與之前供給的未出現異常的產品上使用的三極管參數ICBO存在差異，整體偏大，從而影響輸出負電平指標，導致產品在整機上工作異常。為防止以后出現類似問題，在進廠檢驗時要求發射極開路時集電極和基極的反向電流ICBO≤150 pA，且在IC=100 mA和VCE=1 V時hFE≥55，同時在測試該指標時，用信號源模擬整機板產生的信號作為輸入信號，規定低電平最低點VOH3≥-11.5 V（絕對值），最高點VOH3≥-10.0V（絕對值）。

通過分析該驅動電路負輸出電壓超差故障，更加深刻的理解了電路的工作原理，也同時提醒在設計時要計算準確并驗證到位，深入分析出現的個別現象找到根源，避免后期由于器件參數波動引起的產品故障。