1. 瞬態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）轉換為電壓信號。在輸入端或輸出端，瞬態二極管（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電路的耐壓范圍。

2. 瞬態二極管發熱的原理

瞬態二極管在正常工作狀態下（未觸發鉗位）幾乎不導通，因此不會發熱。但在以下情況下會發熱：

• 過壓事件觸發鉗位：當輸入/輸出電壓超過TVS的擊穿電壓時，TVS會導通并吸收能量，將電壓鉗位在安全范圍內。此時，TVS的導通電流和鉗位電壓會產生功耗（P=Vclamp×Iclamp），導致發熱。

• 持續過壓或高頻過壓：如果過壓事件頻繁發生或持續時間較長，TVS會持續導通，功耗增加，發熱量顯著上升。

3. 跨阻放大器中瞬態二極管發熱的可能性

• 輸入端TVS：

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

• 但若系統存在強ESD或過壓干擾（如雷擊、電源波動），輸入端TVS可能被觸發，導致短暫發熱。

• 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會導通并鉗位。

• 高頻信號或大信號應用（如高速光通信、脈沖激光探測）中，輸出端TVS可能頻繁觸發，導致發熱。

4. 發熱的影響與風險

• 短期發熱：

• 短暫過壓事件中，TVS的發熱通常不會導致損壞，因為TVS設計有瞬態功率承受能力（如單次脈沖功率 Ppp）。

• 長期發熱：

• 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持續導通（如電源故障或系統設計缺陷），可能導致以下問題：

5. 如何避免或減少TVS發熱？

• 合理選擇TVS參數：

• 擊穿電壓（VBR）：略高于系統正常工作電壓，避免誤觸發。

• 鉗位電壓（Vclamp）：盡可能低，以減少功耗。

• 脈沖功率（Ppp）：根據系統可能出現的最大過壓能量選擇。

• 優化電路設計：

• 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，確保反饋網絡穩定，避免輸出電壓異常波動。

• 散熱設計：

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

• 在PCB布局中，為TVS預留散熱焊盤或熱過孔。

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，發熱可忽略。

• 若發生ESD事件，輸入電壓瞬間升至100V，TVS導通并鉗位至10V，功耗為 P=(100V?10V)×IESD。若 IESD 為1A（短暫脈沖），功耗為90W，但TVS的 Ppp 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。

• 若反饋網絡不穩定導致輸出電壓瞬態升至10V，TVS導通并鉗位至7V，功耗為 P=(10V?7V)×Iclamp。若 Iclamp 為100mA，功耗為0.3W，長期發熱可能導致TVS過熱。

7. 結論

• 瞬態二極管在跨阻放大器中通常不會發熱，但在過壓事件觸發鉗位時會發熱。

• 發熱風險取決于過壓事件的頻率、持續時間和能量：

• 低頻、短暫過壓：發熱可忽略。

• 高頻、持續過壓：發熱顯著，需優化設計。

• 建議：

• 選擇合適的TVS參數，確保其能承受系統可能出現的最大過壓能量。

• 優化電路設計，減少過壓事件的發生概率。

• 對高風險應用，增加散熱設計或監測TVS溫度。

總結：瞬態二極管在跨阻放大器中的發熱是可控的，但需通過合理設計和參數選擇來避免長期過熱風險。