運算放大器電源上電時序導致的風險分析
發布時間：2018-04-08 來源：David Guo 責任編輯：wenwei
【導讀】在(zai)有(you)多(duo)個(ge)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)源(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)施(shi)加(jia)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)同(tong)時(shi)或(huo)之(zhi)前(qian)建(jian)立(li)。否(fou)則(ze)，便(bian)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)過(guo)壓(ya)和(he)閂(shuan)鎖(suo)狀(zhuang)況(kuang)。然(ran)而(er)，在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)個(ge)要(yao)求(qiu)有(you)時(shi)候(hou)可(ke)能(neng)難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)。本(ben)文(wen)討(tao)論(lun)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)在(zai)不(bu)同(tong)上(shang)電(dian)時(shi)序(xu)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)行(xing)為(wei)表(biao)現(xian)（參見表2），分析可能的問題及原因，並提出一些建議。
上電時序問題多種多樣
上電時序問題可能出現於多種不同情況。例如，在一個客戶應用中，AD8616配置為緩衝器，在電源建立之前輸入為0 V（圖1），負電源先於正電源上電（負電源有而正電源無）。
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引腳上的電壓為負值。這可能不會損害運算放大器，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ADC使用同一V+，其電源引腳一般隻能承受最小–0.3 V電壓），則這些芯片可能會受損。如果V+先於V–上電，會發生同樣的問題。
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
運算放大器內部的靜電放電(ESD)二極管
靜電放電可能引起過壓事件。大部分運算放大器內置ESD二極管 以防止靜電ESD事件。當V+或V–不存在時，ESD二極管是分析放大 器相關行為的重要工具。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，背靠背二極管位於運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. 運算放大器內部二極管
還要注意，當利用DMM測量ADA4077-2的D5/D6時，結果顯示兩個輸 入引腳之間無二極管。事實上，背靠背二極管之前有兩個串聯電阻， 用來將輸入電流限製在±10 mA以下。內部電阻和背靠背二極管將 差分輸入電壓限製在±Vs，以防止基極-發射極結點擊穿。
A DA4177集成了OVP單元以提高魯棒性。它們位於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。
建立評估係統
圖3用於測量運算放大器電路的電流流向等行為。通道A和通道B各 自配置為緩衝器，通道B同相輸入端經由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係統建立
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果。當V–供電而 V+不供電時，V+引腳上有一個負電壓。當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果。注意，對於IB+，負值意味著電流流 出+IN引腳。對於IOUT，負值意味著電流流出–IN引腳。
表4. ADA4077-2/ADA4177-2輸入懸空時的結果
表5. ADA4077-2/ADA4177-2輸入接地時的結果
以ADA4077-2 V+未上電的情況為例，ESD二極管將V+箝位於VIN電壓。
1.VIN通過E S D箝位二極管連接到V+，因此當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)經過內部電阻、D5以及–IN 和OUT之間的反饋路徑，流入輸出端。最後，這兩個電流（0.7 mA 和1.6 mA）彙合流至–15 V，合並後的電流流回GND (+IN)。
ADA4177-2和ADA4077-2的結果類似。注意，ADA4177-2中的D1是通 過橫向PNP晶體管的發射極基極實現的。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–，並 與反饋路徑中的0.2 mA電流彙合，產生9.3 mA電流流至–15 V，然後 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，將一個正信號或負信號（+10 V或-10 V） 施加於+IN端。表6顯示沒有大電流，因此當增益為+1且+IN有輸入時， 這些運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/輸出有負載
在實際應用中，運算放大器電路可能要與其他電路一起工作。例如， 運算放大器的輸出可能會驅動一個負載，或者運算放大器的電源 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的測試結果。三種可 能情況會帶來風險（假定V+未上電）：
情況1：當輸入為10 V且OUT負載為47 Ω時，輸出為1.373 V。有23 mA電流從運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D1至V+，6.2 mA電流流經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47 Ω負載至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：當輸入為10 V且V+負載為47 Ω時，170 mA電流會流入 ADA4077-2，並從V+引腳流出到47 Ω電源負載。170 mA電流會燒 毀內部二極管，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載
圖6. V+未上電時ADA4077的電流路徑（10 V輸入和47 Ω輸出負載）
圖7. V+未上電時ADA4077的電流路徑（10 V輸入和47 Ω電源負載）
情況3：當輸入為負(-10 V)且OUT負載為47 Ω時（參見圖8），有48 mA電流流經芯片。由此產生的功耗為48 mA × (–2.5 V + 15 V) = 0.6 W。ADA4077-2的θJA為158°C/W，因此結溫比環境溫度高出 94.8°。若有兩個通道或負載更重，結溫可能高於150°，致使芯片 受損。
不應在輸入端增加限流電阻，而應在輸出端增加限流電阻。
當V+上電而V–未上電時，會發生同樣的現象。通過增加外部電 阻來限製電流，電路魯棒性可以變得更好。
對於ADA4177-2，僅情況3適用。當有很大的負輸入，同時輸出端有 很重的負載，且V+未上電時，有53 mA電流流經芯片，功耗可能會 增加，結溫隨之提高（參見圖9）。通過在輸出端增加一個1 kΩ電阻， 可以避免這種風險。
在這兩款運算放大器中，ADA4177-2比ADA4077-2更魯棒。在同時要 求高精度和魯棒性的應用中，前者是不錯的選擇。
其他運算放大器在不同上電時序下的表現
在運算放大器內部，二極管、電阻和OVP單元有各種各樣的實施方式。 有些運算放大器沒有內部OVP單元，有些沒有背靠背二極管，有些沒 有內部限流電阻。如果一個電源未上電，放大器不同的內部結構會產 生不同的結果。此外，不同的運算放大器設計也會產生不同的結果。
例如，ADA4084-2沒有內部限流電阻和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沒有內部電阻或OVP單元來 限製電流，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輸出負載）
圖9. V+未上電時ADA4177的電流路徑（-10 V輸入和47 Ω輸出負載）
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載
表9
在係統應用中，不同的運算放大器、不同的拓撲結構（如同相放大、 反相放大、差動放大等）、不同的負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，需要對風險進行評估。本文介紹 了如何搭建評估風險的電路（圖2）、如何分析電流路徑以及評估潛 在的風險。
總結
為了避免過壓或閂鎖情況，必須同時建立運算放大器電源。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.關斷時，先關閉輸入信號，再關閉電源
在實際應用中，可能難以遵守這些指導原則。這可能會引起問題， 尤其是當有輸入信號時，設計人員需要適當評估風險。一種有效的 解決方案是限製運算放大器的輸入電流，使它在數據手冊給出的 規格以內。在無法同時上電的應用中，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用中測試了三款ADI運算放大器（ADA4084-2、 ADA4077-2和ADA4177-2）。集成內部電阻的ADA4077-2表現不錯。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用中，推薦使用ADA4177以 避免精度性能下降。
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