運(yùn)算放大器電源上電時序?qū)е碌娘L(fēng)險分析
發(fā)布時間:2018-04-08 來源:David Guo 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在有多個供電電源的系統(tǒng)中,運(yùn)算放大器電源必須在施加輸入信號的同時或之前建立。否則,便可能發(fā)生過壓和閂鎖狀況。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,這個要求有時候可能難以滿足。本文討論運(yùn)算放大器在不同上電時序情況下的行為表現(xiàn)(參見表2),分析可能的問題及原因,并提出一些建議。
上電時序問題多種多樣
上電時序問題可能出現(xiàn)于多種不同情況。例如,在一個客戶應(yīng)用中,AD8616配置為緩沖器,在電源建立之前輸入為0 V(圖1),負(fù)電源先于正電源上電(負(fù)電源有而正電源無)。
圖1. AD8616測試電路,施加–3 V V–,V+沒有連接電源
表1顯示了這種情況下AD8616所有引腳的結(jié)果。在正電源管腳V+上的信號建立之前,V+引腳和OUT引腳上的電壓為負(fù)值。這可能不會損害運(yùn)算放大器,但若這些信號連接到其他尚未完全供電的芯片上的引腳(例如,假設(shè)ADC使用同一V+,其電源引腳一般只能承受最小–0.3 V電壓),則這些芯片可能會受損。如果V+先于V–上電,會發(fā)生同樣的問題。
表2列出了上電時序的一些可能情況。
表1. 施加–3 V V–而V+沒有連接電源時的AD8616引腳電壓
表2. 上電時序的可能情況IN
運(yùn)算放大器內(nèi)部的靜電放電(ESD)二極管
靜電放電可能引起過壓事件。大部分運(yùn)算放大器內(nèi)置ESD二極管 以防止靜電ESD事件。當(dāng)V+或V–不存在時,ESD二極管是分析放大 器相關(guān)行為的重要工具。圖2為ADA4077/ADA4177的簡化框圖。表3 顯示了ADA4077-2/ADA4177-2內(nèi)部ESD二極管和背靠背二極管的典 型壓降。注意,背靠背二極管位于運(yùn)算放大器的兩個輸入引腳之間, 用來箝位放大器允許輸入的最大差分信號。
圖2. ADA4077/ADA4177簡化框圖
表3. 運(yùn)算放大器內(nèi)部二極管
還要注意,當(dāng)利用DMM測量ADA4077-2的D5/D6時,結(jié)果顯示兩個輸 入引腳之間無二極管。事實(shí)上,背靠背二極管之前有兩個串聯(lián)電阻, 用來將輸入電流限制在±10 mA以下。內(nèi)部電阻和背靠背二極管將 差分輸入電壓限制在±Vs,以防止基極-發(fā)射極結(jié)點(diǎn)擊穿。
A DA4177集成了OVP單元以提高魯棒性。它們位于ESD二極管和 背靠背二極管之前,因此很難用DMM測量這些二極管的管壓降。 ADA4177的輸出ESD二極管的管壓降是可以測量的。
建立評估系統(tǒng)
圖3用于測量運(yùn)算放大器電路的電流流向等行為。通道A和通道B各 自配置為緩沖器,通道B同相輸入端經(jīng)由100 kΩ電阻連接到GND。讓 V+不供電(V–供電)或V+供電(V–不供電),便可利用安培表和電 壓表測量輸入及電源相關(guān)變量(電壓值和電流值)。通過分析這些 變量,可以確定電流流動的路徑。
圖3. 放大器電流路徑評估系統(tǒng)建立
情形1:輸入懸空
表4顯示了一個輸入懸空和一個電源未供電時的結(jié)果。當(dāng)V–供電而 V+不供電時,V+引腳上有一個負(fù)電壓。當(dāng)V+供電而V–不供電時,V– 引腳上有一個正電壓。
測試ADA4077-2和ADA4177-2得到類似的結(jié)果。輸入引腳和電源引 腳上沒有觀測到大電流,輸入懸空的運(yùn)算放大器在一個供電軌沒 有供電時仍然是安全的。
情形2:輸入接地
表5顯示了輸入接地時的結(jié)果。注意,對于IB+,負(fù)值意味著電流流 出+IN引腳。對于IOUT,負(fù)值意味著電流流出–IN引腳。
表4. ADA4077-2/ADA4177-2輸入懸空時的結(jié)果
表5. ADA4077-2/ADA4177-2輸入接地時的結(jié)果
以ADA4077-2 V+未上電的情況為例,ESD二極管將V+箝位于VIN電壓。
1.VIN通過E S D箝位二極管連接到V+,因此當(dāng)V I N為0 V時,V+ 為–0.846 V。
2.電流流動路徑:如圖4中的紅色路徑所示,0.7 mA電流從GND (+IN)流到V+。1.6 mA電流從GND (+IN)經(jīng)過內(nèi)部電阻、D5以及–IN 和OUT之間的反饋路徑,流入輸出端。最后,這兩個電流(0.7 mA 和1.6 mA)匯合流至–15 V,合并后的電流流回GND (+IN)。
ADA4177-2和ADA4077-2的結(jié)果類似。注意,ADA4177-2中的D1是通 過橫向PNP晶體管的發(fā)射極基極實(shí)現(xiàn)的。該晶體管將過壓電流從V+ 帶走到V–。圖4中的ADA4177電路顯示有9.1 mA電流從V+流回V–,并 與反饋路徑中的0.2 mA電流匯合,產(chǎn)生9.3 mA電流流至–15 V,然后 該電流流回GND。
ADA4077-2或ADA4177-2的輸入引腳和電源引腳均未觀測到大電流(表 5)。增益為+1且+IN接地時,這些運(yùn)算放大器可承受任何時序的PU上電。
情形3:有輸入
在一個電源未上電的情況下,將一個正信號或負(fù)信號(+10 V或-10 V) 施加于+IN端。表6顯示沒有大電流,因此當(dāng)增益為+1且+IN有輸入時, 這些運(yùn)算放大器可承受任何順序的PU上電。
電流流動路徑分析與情形2(0 V輸入)相似,參見圖5。
圖4. V+未上電時ADA4077/ADA4177電流路徑(輸入接地)
圖5. V+未上電時ADA4077/ADA4177電流路徑(10 V輸入)
表6
情形4:有輸入且電源/輸出有負(fù)載
在實(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)算放大器電路可能要與其他電路一起工作。例如, 運(yùn)算放大器的輸出可能會驅(qū)動一個負(fù)載,或者運(yùn)算放大器的電源 會為其他電路供電。這會引起問題。
在該測試中,一個47 Ω電阻連接在輸出與GND之間,或連接在未上 電的電源引腳與GND之間。圖7顯示了ADA4077的測試結(jié)果。三種可 能情況會帶來風(fēng)險(假定V+未上電):
情況1:當(dāng)輸入為10 V且OUT負(fù)載為47 Ω時,輸出為1.373 V。有23 mA電流從運(yùn)算放大器的輸出引腳流出(參見圖6),電流路徑為:
1.輸入信號源提供30.2 mA電流
2.24 mA電流流經(jīng)D1至V+,6.2 mA電流流經(jīng)D5和反饋路徑至OUT
3.來自V+的24 mA電流分為1 mA(至V–)和23 mA(至OUT)
4.29.2 mA電流流經(jīng)47 Ω負(fù)載至GND
ADA4077-2允許的輸入電流最大為10mA,所以需要限流。在+IN端 增加一個1 kΩ電阻,可使輸入電流降至6.8 mA。
情況2:當(dāng)輸入為10 V且V+負(fù)載為47 Ω時,170 mA電流會流入 ADA4077-2,并從V+引腳流出到47 Ω電源負(fù)載。170 mA電流會燒 毀內(nèi)部二極管,損壞芯片。在+IN端增加一個1 kΩ電阻,可使輸入 電流降至8.9 mA。圖7顯示了電流流動路徑。
表7.ADA4077的輸出引腳或無電源的電源引腳上有負(fù)載
圖6. V+未上電時ADA4077的電流路徑(10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載)
圖7. V+未上電時ADA4077的電流路徑(10 V輸入和47 Ω電源負(fù)載)
情況3:當(dāng)輸入為負(fù)(-10 V)且OUT負(fù)載為47 Ω時(參見圖8),有48 mA電流流經(jīng)芯片。由此產(chǎn)生的功耗為48 mA × (–2.5 V + 15 V) = 0.6 W。ADA4077-2的θJA為158°C/W,因此結(jié)溫比環(huán)境溫度高出 94.8°。若有兩個通道或負(fù)載更重,結(jié)溫可能高于150°,致使芯片 受損。
不應(yīng)在輸入端增加限流電阻,而應(yīng)在輸出端增加限流電阻。
當(dāng)V+上電而V–未上電時,會發(fā)生同樣的現(xiàn)象。通過增加外部電 阻來限制電流,電路魯棒性可以變得更好。
對于ADA4177-2,僅情況3適用。當(dāng)有很大的負(fù)輸入,同時輸出端有 很重的負(fù)載,且V+未上電時,有53 mA電流流經(jīng)芯片,功耗可能會 增加,結(jié)溫隨之提高(參見圖9)。通過在輸出端增加一個1 kΩ電阻, 可以避免這種風(fēng)險。
在這兩款運(yùn)算放大器中,ADA4177-2比ADA4077-2更魯棒。在同時要 求高精度和魯棒性的應(yīng)用中,前者是不錯的選擇。
其他運(yùn)算放大器在不同上電時序下的表現(xiàn)
在運(yùn)算放大器內(nèi)部,二極管、電阻和OVP單元有各種各樣的實(shí)施方式。 有些運(yùn)算放大器沒有內(nèi)部OVP單元,有些沒有背靠背二極管,有些沒 有內(nèi)部限流電阻。如果一個電源未上電,放大器不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn) 生不同的結(jié)果。此外,不同的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。
例如,ADA4084-2沒有內(nèi)部限流電阻和OVP單元,其ESD二極管連接 到電源和背靠背二極管。表9和圖10顯示了V+未上電且有10 V輸入 時的結(jié)果。ADA4084的電流路徑與ADA4077-2和ADA4177-2相似(上 文中的情形3已討論)。然而,ADA4084沒有內(nèi)部電阻或OVP單元來 限制電流,60 mA電流會流入芯片,可能引起損害。
圖8. V+未上電時ADA4077的電流路徑(-10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載)
圖9. V+未上電時ADA4177的電流路徑(-10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載)
圖10. V+未上電時ADA4084的電流路徑(10 V輸入)
表8. ADA4177的輸出引腳或無電源的電源引腳上有負(fù)載
表9
在系統(tǒng)應(yīng)用中,不同的運(yùn)算放大器、不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如同相放大、 反相放大、差動放大等)、不同的負(fù)載和外部連接都可能存在。如 果存在有某個電源未上電的情況,需要對風(fēng)險進(jìn)行評估。本文介紹 了如何搭建評估風(fēng)險的電路(圖2)、如何分析電流路徑以及評估潛 在的風(fēng)險。
總結(jié)
為了避免過壓或閂鎖情況,必須同時建立運(yùn)算放大器電源。一般指 南如下:
1.上電時,先接通電源,再在輸入端施加信號
2.關(guān)斷時,先關(guān)閉輸入信號,再關(guān)閉電源
在實(shí)際應(yīng)用中,可能難以遵守這些指導(dǎo)原則。這可能會引起問題, 尤其是當(dāng)有輸入信號時,設(shè)計(jì)人員需要適當(dāng)評估風(fēng)險。一種有效的 解決方案是限制運(yùn)算放大器的輸入電流,使它在數(shù)據(jù)手冊給出的 規(guī)格以內(nèi)。在無法同時上電的應(yīng)用中,輸入端和輸出端增加限流電 阻會有幫助。
我們在電源未上電的應(yīng)用中測試了三款A(yù)DI運(yùn)算放大器(ADA4084-2、 ADA4077-2和ADA4177-2)。集成內(nèi)部電阻的ADA4077-2表現(xiàn)不錯。集 成OVP電路的ADA4177的魯棒性最好。在某個電源在某個時間段可 能未上電且無法增加外部限流電阻的應(yīng)用中,推薦使用ADA4177以 避免精度性能下降。
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