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运算放大器电源上电时序导致的风险分析

助工
2019-10-13 16:44:43    评分

在有多个供电电源的系统中,运算放大器电源必须在施加输入信号的同时或之前建立。否则,便可能发生过压和闩锁状况。


然而,在实际应用中,这个要求有时候可能难以满足。本文讨论运算放大器在不同上电时序情况下的行为表现(参见表2),分析可能的问题及原因,并提出一些建议。


上电时序问题多种多样

上电时序问题可能出现于多种不同情况。例如,在一个客户应用中,AD8616配置为缓冲器,在电源建立之前输入为0 V(图1),负电源先于正电源上电(负电源有而正电源无)。



图1. AD8616测试电路,施加–3 V V–,V+没有连接电源

表1显示了这种情况下AD8616所有引脚的结果。在正电源管脚V+上的信号建立之前,V+引脚和OUT引脚上的电压为负值。这可能不会损害运算放大器,但若这些信号连接到其他尚未完全供电的芯片上的引脚(例如,假设ADC使用同一V+,其电源引脚一般只能承受最小–0.3 V电压),则这些芯片可能会受损。如果V+先于V–上电,会发生同样的问题。


表2列出了上电时序的一些可能情况。

表1. 施加–3 V V–而V+没有连接电源时的AD8616引脚电压

引脚1: OUTA引脚2: –INA引脚3: +INA引脚4: V–引脚5: +INB引脚6: –INB引脚7: OUTB引脚8: V+
–1.627–1.627–0.959–3.000–0.959–1.627–1.627–1.627


表2. 上电时序的可能情况IN


INV+V–放大器电源有其他负载放大器输出有负载
情形 1浮空
浮空




情形 20 V
0 V




情形 3正或负
正或负




情形 4正或负
正或负
正或负
正或负














运算放大器内部的静电放电(ESD)二极管

静电放电可能引起过压事件。大部分运算放大器内置ESD二极管 以防止静电ESD事件。当V+或V–不存在时,ESD二极管是分析放大 器相关行为的重要工具。图2为ADA4077/ADA4177的简化框图。表3 显示了ADA4077-2/ADA4177-2内部ESD二极管和背靠背二极管的典 型压降。注意,背靠背二极管位于运算放大器的两个输入引脚之间, 用来箝位放大器允许输入的最大差分信号。



图2. ADA4077/ADA4177简化框图

表3. 运算放大器内部二极管



ADA4077ADA4177
D10.838未知
D20.845未知
D30.837未知
D40.844未知
D5未知未知
D6未知未知
D70.8410.849
D80.8420.849


还要注意,当利用DMM测量ADA4077-2的D5/D6时,结果显示两个输 入引脚之间无二极管。事实上,背靠背二极管之前有两个串联电阻, 用来将输入电流限制在±10 mA以下。内部电阻和背靠背二极管将 差分输入电压限制在±Vs,以防止基极-发射极结点击穿。


A DA4177集成了OVP单元以提高鲁棒性。它们位于ESD二极管和 背靠背二极管之前,因此很难用DMM测量这些二极管的管压降。 ADA4177的输出ESD二极管的管压降是可以测量的。


建立评估系统

图3用于测量运算放大器电路的电流流向等行为。通道A和通道B各 自配置为缓冲器,通道B同相输入端经由100 kΩ电阻连接到GND。让 V+不供电(V–供电)或V+供电(V–不供电),便可利用安培表和电 压表测量输入及电源相关变量(电压值和电流值)。通过分析这些 变量,可以确定电流流动的路径。



图3. 放大器电流路径评估系统建立
情形1:输入悬空

表4显示了一个输入悬空和一个电源未供电时的结果。当V–供电而 V+不供电时,V+引脚上有一个负电压。当V+供电而V–不供电时,V– 引脚上有一个正电压。


测试ADA4077-2和ADA4177-2得到类似的结果。输入引脚和电源引 脚上没有观测到大电流,输入悬空的运算放大器在一个供电轨没 有供电时仍然是安全的。


情形2:输入接地

表5显示了输入接地时的结果。注意,对于IB+,负值意味着电流流 出+IN引脚。对于IOUT,负值意味着电流流出–IN引脚。


表4. ADA4077-2/ADA4177-2输入悬空时的结果


条件
V+
V–
ISY+ (mA)
ISY– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
IN (V)
OUT (V)
ADA4077-2
正负电源都上电15–15
1.021.01–0.000050.000070.001–0.008
V+ 无–13.1–1500.12–0.000010.001–13.73–14.42
V– 无1513.060.150–0.000010.00112.9313.62
ADA4177-2
正负电源都上电15–15
0.980.96–0.000010.0000200.001
V+ 无–14.26–1500.14–0.000020.00137–13.77–13.78
V– 无1512.960.140–0.00001–0.0003912.2612.31


表5. ADA4077-2/ADA4177-2输入接地时的结果


条件
V+
V–
ISY+&(mA)
ISY– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
IN (V)
OUT (V)
ADA4077-2
正负电源都上电15–15
1.011–0.000050.000010–0.019
V+ 无–0.846–1502.302.300–1.60–0.017–2.68
V– 无150.8471.780–1.7581.0640.122.116
ADA4177-2
正负电源都上电15–15
0.980.96–0.000010.0000200
V+ 无–11.99–1509.39.300–0.200–0.068–11.98
V– 无151.8481.840–1.8230.0670.0131.851


以ADA4077-2 V+未上电的情况为例,ESD二极管将V+箝位于VIN电压。


  • V I N通过E S D箝位二极管连接到V+,因此当V I N为0 V时,V+ 为–0.846 V。

  • 电流流动路径:如图4中的红色路径所示,0.7 mA电流从GND (+IN)流到V+。1.6 mA电流从GND (+IN)经过内部电阻、D5以及–IN 和OUT之间的反馈路径,流入输出端。最后,这两个电流(0.7 mA 和1.6 mA)汇合流至–15 V,合并后的电流流回GND (+IN)。


ADA4177-2和ADA4077-2的结果类似。注意,ADA4177-2中的D1是通 过横向PNP晶体管的发射极基极实现的。该晶体管将过压电流从V+ 带走到V–。图4中的ADA4177电路显示有9.1 mA电流从V+流回V–,并 与反馈路径中的0.2 mA电流汇合,产生9.3 mA电流流至–15 V,然后 该电流流回GND。


ADA4077-2或ADA4177-2的输入引脚和电源引脚均未观测到大电流(表 5)。增益为+1且+IN接地时,这些运算放大器可承受任何时序的PU上电。


情形3:有输入

在一个电源未上电的情况下,将一个正信号或负信号(+10 V或-10 V) 施加于+IN端。表6显示没有大电流,因此当增益为+1且+IN有输入时, 这些运算放大器可承受任何顺序的PU上电。


电流流动路径分析与情形2(0 V输入)相似,参见图5。



图4. V+未上电时ADA4077/ADA4177电流路径(输入接地)

图5. V+未上电时ADA4077/ADA4177电流路径(10 V输入)

表6


条件
V+
V–
ISY+ (mA)
ISY– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
IN (V)
OUT (V)
ADA4077-2
正负电源均上电15–15
1.031.010.00098–0.00003109.97
V + 不存在,正输入9.14–1502.42.396–1.6539.997.3
V + 不存在,负输入–10.83–1502.412.308–1.651–10.02–12.66
V – 不存在,正输入1510.831.810–1.6891.05510.0212.09
V– 不存在,负输入15–9.151.770–1.7591.031–9.99
–7.88
ADA4177-2
正负电源均上电15–15
1.021–0.00099–0.000099.999.97
V+ 不存在,正输入–9.09
–15
08.868.866–0.113
9.92–9.06
V+ 不存在,负输入–12.33
–15
04.314.18–0.039
–10.02
–12.32
V– 不存在,正输入1511.421.330–1.20.0569.9911.43
V– 不存在,负输入15–8.331.510–1.4920.062–9.97–8.32


情形4:有输入且电源/输出有负载

在实际应用中,运算放大器电路可能要与其他电路一起工作。例如, 运算放大器的输出可能会驱动一个负载,或者运算放大器的电源 会为其他电路供电。这会引起问题。


在该测试中,一个47 Ω电阻连接在输出与GND之间,或连接在未上 电的电源引脚与GND之间。图7显示了ADA4077的测试结果。三种可 能情况会带来风险(假定V+未上电):


情况1:当输入为10 V且OUT负载为47 Ω时,输出为1.373 V。有23 mA电流从运算放大器的输出引脚流出(参见图6),电流路径为:



  • 输入信号源提供30.2 mA电流

  • 24 mA电流流经D1至V+,6.2 mA电流流经D5和反馈路径至OUT

  • 来自V+的24 mA电流分为1 mA(至V–)和23 mA(至OUT)

  • 29.2 mA电流流经47 Ω负载至GND



ADA4077-2允许的输入电流最大为10mA,所以需要限流。在+IN端 增加一个1 kΩ电阻,可使输入电流降至6.8 mA。


情况2:当输入为10 V且V+负载为47 Ω时,170 mA电流会流入 ADA4077-2,并从V+引脚流出到47 Ω电源负载。170 mA电流会烧 毁内部二极管,损坏芯片。在+IN端增加一个1 kΩ电阻,可使输入 电流降至8.9 mA。图7显示了电流流动路径。


表7.ADA4077的输出引脚或无电源的电源引脚上有负载

ADA4077-2条件
IN (V)V+
V–
ISY+ (mA)
ISY– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
OUT (V)
V+ 无
Vo 或 V+ 无负载/正输入9.999.14–15
02.42.396–1.6537.3
Vo 47 Ω 至 GND9.988.77–1501.0030.22–6.1741.373
Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ9.982.389–1500.766.828–2.1040.284
V+ 47 Ω 至 GND9.598.01–151705.05175–5.06.06
V+ 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ9.940.295–156.272.698.96–2.69–1.876
Vo 或 V+ 无负载/负输出–10.02–10.83–1502.412.308–1.651–12.66
Vo 47 Ω 至 GND–9.97–3.226–15048.6–4.654.885–2.501
Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ–10.02–10.83–15014.302.284–1.629–0.563


图6. V+未上电时ADA4077的电流路径(10 V输入和47 Ω输出负载)

图7. V+未上电时ADA4077的电流路径(10 V输入和47 Ω电源负载)


情况3:当输入为负(-10 V)且OUT负载为47 Ω时(参见图8),有48 mA电流流经芯片。由此产生的功耗为48 mA × (–2.5 V + 15 V) = 0.6 W。ADA4077-2的θJA为158°C/W,因此结温比环境温度高出 94.8°。若有两个通道或负载更重,结温可能高于150°,致使芯片 受损。



不应在输入端增加限流电阻,而应在输出端增加限流电阻。


当V+上电而V–未上电时,会发生同样的现象。通过增加外部电 阻来限制电流,电路鲁棒性可以变得更好。



对于ADA4177-2,仅情况3适用。当有很大的负输入,同时输出端有 很重的负载,且V+未上电时,有53 mA电流流经芯片,功耗可能会 增加,结温随之提高(参见图9)。通过在输出端增加一个1 kΩ电阻, 可以避免这种风险。


在这两款运算放大器中,ADA4177-2比ADA4077-2更鲁棒。在同时要 求高精度和鲁棒性的应用中,前者是不错的选择。


其他运算放大器在不同上电时序下的表现

在运算放大器内部,二极管、电阻和OVP单元有各种各样的实施方式。 有些运算放大器没有内部OVP单元,有些没有背靠背二极管,有些没 有内部限流电阻。如果一个电源未上电,放大器不同的内部结构会产 生不同的结果。此外,不同的运算放大器设计也会产生不同的结果。


例如,ADA4084-2没有内部限流电阻和OVP单元,其ESD二极管连接 到电源和背靠背二极管。表9和图10显示了V+未上电且有10 V输入 时的结果。ADA4084的电流路径与ADA4077-2和ADA4177-2相似(上 文中的情形3已讨论)。然而,ADA4084没有内部电阻或OVP单元来 限制电流,60 mA电流会流入芯片,可能引起损害。



图8. V+未上电时ADA4077的电流路径(-10 V输入和47 Ω输出负载)

图9. V+未上电时ADA4177的电流路径(-10 V输入和47 Ω输出负载)

图10. V+未上电时ADA4084的电流路径(10 V输入)

表8. ADA4177的输出引脚或无电源的电源引脚上有负载


ADA4177-2条件
IN (V)V+
V–
ISY+ (mA)
ISY– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
OUT (V)
V+ 无
Vo 或 V+ 浮空和负输入–10.02
–12.33–15
04.314.18–0.039–12.32
Vo 47 Ω 至 GND–9.97–3.218–15051.53–2.4732.632–2.543
Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ–10–10.4–1509.10–0.0030.147–0.428













































表9


ADA4084-2Condition
V+
V–
I+ (mA)
I– (mA)
IB+ (mA)
IOUT (mA)
IN (V)OUT (V)

正负电源均上电15–15
1.381.37–0.001–0.0001109.98
V+ 未上电,正输入8.71–15060.160.102–51.899.567.99























































在系统应用中,不同的运算放大器、不同的拓扑结构(如同相放大、 反相放大、差动放大等)、不同的负载和外部连接都可能存在。如 果存在有某个电源未上电的情况,需要对风险进行评估。本文介绍 了如何搭建评估风险的电路(图2)、如何分析电流路径以及评估潜 在的风险。


总结

为了避免过压或闩锁情况,必须同时建立运算放大器电源。一般指南如下:


  • 上电时,先接通电源,再在输入端施加信号

  • 关断时,先关闭输入信号,再关闭电源


在实际应用中,可能难以遵守这些指导原则。这可能会引起问题, 尤其是当有输入信号时,设计人员需要适当评估风险。一种有效的 解决方案是限制运算放大器的输入电流,使它在数据手册给出的 规格以内。在无法同时上电的应用中,输入端和输出端增加限流电 阻会有帮助。


我们在电源未上电的应用中测试了三款ADI运算放大器(ADA4084-2、 ADA4077-2和ADA4177-2)。集成内部电阻的ADA4077-2表现不错。集 成OVP电路的ADA4177的鲁棒性最好。在某个电源在某个时间段可 能未上电且无法增加外部限流电阻的应用中,推荐使用ADA4177以 避免精度性能下降。

作者David Guo





关键词: 运算     放大器     电源     风险     分析    

助工
2019-10-13 17:32:58    评分
2楼

学习了


助工
2019-10-13 18:30:01    评分
3楼

分析得很好


助工
2019-10-13 22:51:13    评分
4楼

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