运算放大器电源上电时序导致的风险分析

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简介 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 IN V+ 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 有 无 无 有 否 否 否 否 情形 2 0 V 0 V 有 无 无 有 否 否 否 否 情形 3 正或负 正或负 有 无 无 有 否 否 否 否 情形 4 正或负 正或负 正或负 正或负 有 有 无 无 无 无 有 有 是 否 是 否 否 是 否 是 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 ADA4077 ADA4177 D1 0.838 未知 D2 0.845 未知 D3 0.837 未知 D4 0.844 未知 D5 未知 未知 D6 未知 未知 D7 0.841 0.849 D8 0.842 0.849 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 1.02 1.01 –0.00005 0.00007 0.001 –0.008 V+ 无 –13.1 –15 0 0.12 –0.00001 0.001 –13.73 –14.42 V– 无 15 13.06 0.15 0 –0.00001 0.001 12.93 13.62 ADA4177-2 正负电源都上电 15 –15 0.98 0.96 –0.00001 0.00002 0 0.001 V+ 无 –14.26 –15 0 0.14 –0.00002 0.00137 –13.77 –13.78 V– 无 15 12.96 0.14 0 –0.00001 –0.00039 12.26 12.31 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 1.01 1 –0.00005 0.00001 0 –0.019 V+ 无 –0.846 –15 0 2.30 2.300 –1.60 –0.017 –2.68 V– 无 15 0.847 1.78 0 –1.758 1.064 0.12 2.116 ADA4177-2 正负电源都上电 15 –15 0.98 0.96 –0.00001 0.00002 0 0 V+ 无 –11.99 –15 0 9.3 9.300 –0.200 –0.068 –11.98 V– 无 15 1.848 1.84 0 –1.823 0.067 0.013 1.851 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 1.03 1.01 0.00098 –0.00003 10 9.97 V + 不存在，正输入 9.14 –15 0 2.4 2.396 –1.653 9.99 7.3 V + 不存在，负输入 –10.83 –15 0 2.41 2.308 –1.651 –10.02 –12.66 V – 不存在，正输入 15 10.83 1.81 0 –1.689 1.055 10.02 12.09 V– 不存在，负输入 15 –9.15 1.77 0 –1.759 1.031 –9.99 –7.88 ADA4177-2 正负电源均上电 15 –15 1.02 1 –0.00099 –0.00009 9.99 9.97 V+ 不存在，正输入 –9.09 –15 0 8.86 8.866 –0.113 9.92 –9.06 V+ 不存在，负输入 –12.33 –15 0 4.31 4.18 –0.039 –10.02 –12.32 V– 不存在，正输入 15 11.42 1.33 0 –1.2 0.056 9.99 11.43 V– 不存在，负输入 15 –8.33 1.51 0 –1.492 0.062 –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 9.99 9.14 –15 0 2.4 2.396 –1.653 7.3 Vo 47 Ω 至 GND 9.98 8.77 –15 0 1.00 30.22 –6.174 1.373 Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ 9.98 2.389 –15 0 0.76 6.828 –2.104 0.284 V+ 47 Ω 至 GND 9.59 8.01 –15 170 5.05 175 –5.0 6.06 V+ 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ 9.94 0.295 –15 6.27 2.69 8.96 –2.69 –1.876 Vo 或 V+ 无负载/负输出 –10.02 –10.83 –15 0 2.41 2.308 –1.651 –12.66 Vo 47 Ω 至 GND –9.97 –3.226 –15 0 48.6 –4.65 4.885 –2.501 Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ –10.02 –10.83 –15 0 14.30 2.284 –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 0 4.31 4.18 –0.039 –12.32 Vo 47 Ω 至 GND –9.97 –3.218 –15 0 51.53 –2.473 2.632 –2.543 Vo 47 Ω 至 GND 和 1 kΩ –10 –10.4 –15 0 9.10 –0.003 0.147 –0.428 表9 ADA4084-2 Condition V+ V– I+ (mA) I– (mA) IB+ (mA) IOUT (mA) IN (V) OUT (V) 正负电源均上电 15 –15 1.38 1.37 –0.001 –0.0001 10 9.98 V+ 未上电，正输入 8.71 –15 0 60.1 60.102 –51.89 9.56 7.99 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