運(yùn)算放大器中功率排序不當(dāng)：分析風(fēng)險(xiǎn)

在具有多個(gè)電源電壓的系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器功率 電源必須在任何輸入的同時(shí)或之前建立 應(yīng)用信號(hào)。如果沒(méi)有發(fā)生這種情況，過(guò)壓和閂鎖 條件可能會(huì)發(fā)生。

但是，這有時(shí)在現(xiàn)實(shí)世界中可能很難滿足。 應(yīng)用。本文將介紹運(yùn)算放大器在 不同的電源時(shí)序情況（見(jiàn)表2），分析可能 問(wèn)題，并提出了一些建議。

電源排序問(wèn)題可能有所不同

在許多不同的情況下，電源排序問(wèn)題 可能出現(xiàn)。例如，在一個(gè)客戶應(yīng)用中，AD8616可以 配置為緩沖器，在電源之前輸入為0 V 建立（圖1），負(fù)電源在 正電源（存在負(fù)電源，不存在正電源）。

圖1.AD8616測(cè)試電路，施加–3 V V–且不存在V+。

表1顯示了所有AD8616引腳在這種條件下的結(jié)果。V+ 之前 施加，V+ 引腳和 OUT 引腳上的電壓為負(fù)。這可能會(huì) 不會(huì)損壞運(yùn)算放大器，但如果這些信號(hào)連接到端子 在其他尚未完全供電的芯片上（例如，假設(shè) ADC使用相同的V+，其電源引腳通常只能容忍 –0.3 V 最小電壓），芯片可能會(huì)受到損壞。類似的問(wèn)題 如果 V+ 在 V– 之前通電，就會(huì)發(fā)生。

表2突出顯示了電源排序中的一些可能情況。

運(yùn)算放大器內(nèi)的靜電放電（ESD）二極管

靜電放電也會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓事件。大多數(shù)操作 放大器具有內(nèi)部ESD二極管，以防止靜電ESD事件。 ESD二極管可以提供分析V+或V-時(shí)活動(dòng)的關(guān)鍵 缺席。圖2是ADA4077/ADA4177的簡(jiǎn)化框圖。 表3顯示了ADA4077-2/ADA4177-2內(nèi)部的典型壓降 ESD二極管和背靠背二極管。請(qǐng)注意，背靠背二極管 放置在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端子之間，以箝位 最大差分輸入信號(hào)。

圖2.ADA4077/ADA4177簡(jiǎn)化框圖

另請(qǐng)注意，當(dāng)使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量ADA4077-2的D5/D6時(shí)，它會(huì) 顯示兩個(gè)輸入端子之間沒(méi)有二極管。其實(shí)有兩個(gè)系列 背靠背二極管之前的電阻，以限制輸入電流小于 ±10毫安。內(nèi)部電阻和背靠背二極管限制差分 輸入電壓至 ±Vs，以防止基極-發(fā)射極結(jié)擊穿。

ADA4177集成了OVP電池，以實(shí)現(xiàn)魯棒性。它們被放置 在ESD二極管和背靠背二極管之前，因此很難測(cè)量 這些二極管由數(shù)字萬(wàn)用表。可以測(cè)量ADA4177的輸出ESD二極管。

評(píng)估設(shè)置

圖3用于測(cè)量運(yùn)算放大器的活動(dòng)。 通道 A 和 通道B各自配置為緩沖器，通道B同相 輸入通過(guò)100 kΩ電阻連接到GND。通過(guò)使 V+ 缺席 （V–存在）或V+存在（V–不存在），輸入和功率相關(guān)變量 可以通過(guò)安培和電壓表測(cè)量。通過(guò)分析 這些變量，我們可以確定當(dāng)前的流路。

圖3.電源排序測(cè)試的設(shè)置。

情況 1：輸入浮動(dòng)

表4顯示了浮動(dòng)輸入和一個(gè)無(wú)電源的結(jié)果。當(dāng) V– 存在且不存在 V+，則 V+ 引腳處存在負(fù)電壓。什么時(shí)候 存在 V+ 且不存在 V– 表示 V– 引腳處存在正電壓。

對(duì)ADA4077-2和ADA4177-2進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果相似。不大 在輸入引腳和電源引腳以及運(yùn)算放大器處觀察電流 當(dāng)電源軌不存在時(shí)，浮動(dòng)輸入仍然是安全的。

情況2：輸入接地

表5顯示了輸入接地時(shí)的結(jié)果。IB+ 的注意事項(xiàng)，a 負(fù)值表示流出 +IN 端子的電流。對(duì)于 IOUT， 負(fù)值表示流出 –IN 端子的電流。

以不存在V+的ADA4077-2為例，V+被箝位到VIN ESD二極管的電壓。

VIN通過(guò)ESD箝位二極管連接到V+，因此當(dāng)VIN為0 V時(shí)，V+ 為 –0.846 V。

電流路徑回路：如圖4所示的紅色路徑，0.7 mA電流 從 GND （+IN） 流向 V+。1.6 mA 電流從接地 （+IN） 流出 通過(guò)一個(gè)內(nèi)部電阻器，D5 以及 –IN 和 OUT，則電流流入輸出端子。最后是兩種潮流 （0.7 mA 和 1.6 mA）組合成 –15 V 的電流，并且組合 電流流回GND （+IN）。

ADA4177-2和ADA4077-2的結(jié)果相似。請(qǐng)注意， 在ADA4177-2中，D1由橫向的發(fā)射極基極實(shí)現(xiàn) PNP 晶體管。晶體管將過(guò)壓電流從 V+ 到 V–。圖4中的ADA4177電路顯示9.1 mA電流 從 V+ 返回到 V– ，并在反饋中結(jié)合 0.2 mA 電流 路徑，導(dǎo)致 9.3 mA 電流流向 –15 V，然后電流回流 到GND。

在輸入引腳和電源引腳上均未觀察到大電流 ADA4077-2或ADA4177-2（表5）。這些運(yùn)算放大器可以承受 增益為+1且+IN接地時(shí)PU排序的任何順序。

情況 3：使用輸入

正或負(fù)信號(hào)（+10 V或–10 V）施加到+IN端子 當(dāng)一個(gè)權(quán)力缺席時(shí)。表6顯示沒(méi)有大電流，因此這些操作 放大器可以承受任何階次的PU排序，增益為+1，+IN時(shí) 停飛時(shí)間很短。

電流流路分析與案例2（0 V輸入）類似，請(qǐng)參考 圖5.

圖4.V+不存在時(shí)的ADA4077/ADA4177電流路徑（輸入接地）。

圖5.V+不存在時(shí)的ADA4077/ADA4177電流路徑（10 V輸入）。

情況4：帶輸入和負(fù)載在電源/輸出

在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器電路可能與另一個(gè)電路一起工作。 例如，運(yùn)算放大器的輸出可能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，或者運(yùn)算放大器的功率 電源也可以為其他電路供電。這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

在此測(cè)試中，在輸出和GND之間連接一個(gè)47 Ω電阻或 缺少電源引腳和接地。 表 7 顯示了 ADA4077.大電流以紅色突出顯示。三種可能的情況 假設(shè)不存在 V+，可能會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)：

情況1：當(dāng)輸入為10 V，OUT負(fù)載為47 Ω時(shí)，輸出為1.373 V。當(dāng)有23 mA電流從運(yùn)算放大器的輸出引腳流出時(shí)（參見(jiàn)圖6），電流路徑為：

輸入信號(hào)源提供 30.2 mA 電流

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

V+ 的 24 mA 電流分為 1 mA（至 V–）和 23 mA（至 OUT）

29.2 mA 電流流經(jīng) 47 Ω 負(fù)載至 GND

電流需要受到限制。通過(guò)在+IN處增加一個(gè)1 kΩ電阻，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(shí)，170 mA電流流入ADA4077-2，并從V+引腳流出至47 Ω電源負(fù)載。170 mA 電流會(huì)燒毀內(nèi)部二極管并損壞芯片。通過(guò)在+IN處增加一個(gè)1 kΩ電阻，輸入電流降至8.9 mA。圖 7 顯示了當(dāng)前的流路。

圖6.不存在V+時(shí)的ADA4077電流路徑（10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載）。

圖7.不存在V+時(shí)的ADA4077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 （參見(jiàn)圖8），有48 mA電流流過(guò) 芯片。這將產(chǎn)生48 mA× （–2.5 V + 15 V） = 0.6 W功率 耗散。考慮到ADA4077-2的158° C/W θJA，結(jié) 溫度比環(huán)境溫度高94.8°。如果有 兩個(gè)通道或有較重的負(fù)載，結(jié)溫可能 高于 150°，芯片可能會(huì)損壞。

電阻器不是在輸入端增加一個(gè)限流電阻器，而是 應(yīng)該在輸出中添加。

當(dāng)V+存在而V-不存在時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的現(xiàn)象。 通過(guò)添加外部電阻來(lái)限制電流，電路可以 更加健壯。

對(duì)于ADA4177-2，僅適用情況3。當(dāng)有大的負(fù)數(shù)時(shí) 輸入和重負(fù)載同時(shí)在輸出端，當(dāng)V+為時(shí) 不存在且有53 mA電流流過(guò)芯片，功耗 可能會(huì)升高，結(jié)溫升高（參見(jiàn) 到圖 9）。通過(guò)在輸出端增加一個(gè)1 kΩ電阻，可以避免風(fēng)險(xiǎn)。

在兩個(gè)運(yùn)算放大器中，ADA4177-2比ADA4077-2更可靠。是的 是要求精度和穩(wěn)健性的應(yīng)用的首選。

電源排序中的其他運(yùn)算放大器活動(dòng)

在運(yùn)算放大器中，二極管、電阻、 和 OVP 細(xì)胞。有些運(yùn)算放大器沒(méi)有內(nèi)部OVP單元，有些沒(méi)有 背靠背二極管。不同的實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生不同的 缺少一個(gè)電源時(shí)的結(jié)果。此外，不同的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 可以產(chǎn)生不同的結(jié)果。

例如，ADA4084-2沒(méi)有內(nèi)部限流電阻或過(guò)壓保護(hù) 電池，并且具有連接到電源并背靠背的ESD二極管 二極管。表 9 和圖 10 顯示了 V+ 不存在且 為 10 V 輸入。ADA4084的活動(dòng)和電流路徑與 ADA4077-2和ADA4177-2（前面在案例3中討論過(guò)）。然而 由于ADA4084沒(méi)有內(nèi)部電阻或OVP電池來(lái)限制電流， 60 mA 電流將流入芯片，這可能會(huì)造成損壞。

圖8.不存在V+時(shí)的ADA4077電流路徑（–10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載）。

圖9.不存在V+時(shí)的ADA4177電流路徑（–10 V輸入和47 Ω輸出負(fù)載）。

圖 10.V+不存在時(shí)的ADA4084電流路徑（10 V輸入）。

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、反相放大和差分放大）， 可以實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)載和外部連接。 如果沒(méi)有一個(gè)電源，則需要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。本文 可以提供有關(guān)設(shè)置評(píng)估電路的指導(dǎo)（圖2），如何 分析當(dāng)前路徑，并評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)

為避免過(guò)壓或閂鎖情況，運(yùn)算放大器功率 供應(yīng)必須同時(shí)建立。一般準(zhǔn)則是：

在上電序列期間，先打開(kāi)電源，然后應(yīng)用 輸入端信號(hào)

在關(guān)機(jī)期間，先關(guān)閉輸入信號(hào)，然后關(guān)閉 電源

在實(shí)際應(yīng)用中，這些準(zhǔn)則可能難以遵守。 這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，尤其是當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，并且 設(shè)計(jì)師需要正確評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)有效的解決方案是嘗試 限制運(yùn)算放大器的輸入電流，使其在數(shù)據(jù)規(guī)格范圍內(nèi) 表。在輸入和輸出端增加一個(gè)限流電阻器有助于 無(wú)法同時(shí)供電的應(yīng)用。

我們?cè)跓o(wú)電源應(yīng)用中測(cè)試了三個(gè)ADI運(yùn)算放大器 （ADA4084-2、ADA4077-2 和 ADA4177-2）。與內(nèi)部集成時(shí) 電阻方面，ADA4077-2被證明非常可靠。ADA4177，當(dāng) 與OVP電路集成，提供最佳的魯棒性。在應(yīng)用程序中 電源可能不存在，而外部限流電阻器無(wú)法供電的地方 建議使用ADA4177，以避免降低精度。

審核編輯：郭婷