运算放大器电源上电时序导致的风险分析

shuszhao · 发表于 2018-5-8 14:22:50

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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）。

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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

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表2. 上电时序的可能情况IN

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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。

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图2. ADA4077/ADA4177简化框图

表3. 运算放大器内部二极管

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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。

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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

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表5. ADA4077-2/ADA4177-2输入接地时的结果

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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。

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图4. V+未上电时ADA4077/ADA4177电流路径（输入接地）

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图5. V+未上电时ADA4077/ADA4177电流路径（10 V输入）

表6

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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）：

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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

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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。

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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。

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表7.ADA4077的输出引脚或无电源的电源引脚上有负载

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

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

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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。

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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。

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

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

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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

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表9

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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：f 上电时，先接通电源，再在输入端施加信号f 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。