【導(dǎo)讀】在有多個(gè)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(hào)的同時(shí)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(gè)要求有時(shí)候可能難以滿足。本文討論運(yùn)算放大器在不同上電時(shí)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(shí)序問題多種多樣
上電時(shí)序問題可能出現(xiàn)于多種不同情況。例如，在一個(gè)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(cè)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(hào)建立之前，V+引腳和OUT引腳上的電壓為負(fù)值。這可能不會(huì)損害運(yùn)算放大器，但若這些信號(hào)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(huì)受損。如果V+先于V–上電，會(huì)發(fā)生同樣的問題。
表2列出了上電時(shí)序的一些可能情況。
表1. 施加–3 V V–而V+沒有連接電源時(shí)的AD8616引腳電壓
表2. 上電時(shí)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(shí)，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(jiǎn)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(gè)輸入引腳之間， 用來箝位放大器允許輸入的最大差分信號(hào)。
圖2. ADA4077/ADA4177簡(jiǎn)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(cè)量ADA4077-2的D5/D6時(shí)，結(jié)果顯示兩個(gè)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(gè)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(cè)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(cè)量的。
建立評(píng)估系統(tǒng)
圖3用于測(cè)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(cè)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(dòng)的路徑。
圖3. 放大器電流路徑評(píng)估系統(tǒng)建立
情形1：輸入懸空
表4顯示了一個(gè)輸入懸空和一個(gè)電源未供電時(shí)的結(jié)果。當(dāng)V–供電而 V+不供電時(shí)，V+引腳上有一個(gè)負(fù)電壓。當(dāng)V+供電而V–不供電時(shí)，V– 引腳上有一個(gè)正電壓。
測(cè)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(cè)到大電流，輸入懸空的運(yùn)算放大器在一個(gè)供電軌沒 有供電時(shí)仍然是安全的。
情形2：輸入接地
表5顯示了輸入接地時(shí)的結(jié)果。注意，對(duì)于IB+，負(fù)值意味著電流流 出+IN引腳。對(duì)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(shí)的結(jié)果
表5. ADA4077-2/ADA4177-2輸入接地時(shí)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(shí)，V+ 為–0.846 V。
2.電流流動(dòng)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(gè)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(cè)到大電流（表 5）。增益為+1且+IN接地時(shí)，這些運(yùn)算放大器可承受任何時(shí)序的PU上電。
情形3：有輸入
在一個(gè)電源未上電的情況下，將一個(gè)正信號(hào)或負(fù)信號(hào)（+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(shí)， 這些運(yùn)算放大器可承受任何順序的PU上電。
電流流動(dòng)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(shí)ADA4077/ADA4177電流路徑（輸入接地）
圖5. V+未上電時(shí)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(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，或者運(yùn)算放大器的電源 會(huì)為其他電路供電。這會(huì)引起問題。
在該測(cè)試中，一個(gè)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(cè)試結(jié)果。三種可 能情況會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)（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(shí)，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(hào)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(gè)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(shí)，170 mA電流會(huì)流入 ADA4077-2，并從V+引腳流出到47 Ω電源負(fù)載。170 mA電流會(huì)燒 毀內(nèi)部二極管，損壞芯片。在+IN端增加一個(gè)1 kΩ電阻，可使輸入 電流降至8.9 mA。圖7顯示了電流流動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)（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(gè)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(shí)，會(huì)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(duì)于ADA4177-2，僅情況3適用。當(dāng)有很大的負(fù)輸入，同時(shí)輸出端有 很重的負(fù)載，且V+未上電時(shí)，有53 mA電流流經(jīng)芯片，功耗可能會(huì) 增加，結(jié)溫隨之提高（參見圖9）。通過在輸出端增加一個(gè)1 kΩ電阻， 可以避免這種風(fēng)險(xiǎn)。
在這兩款運(yùn)算放大器中，ADA4177-2比ADA4077-2更魯棒。在同時(shí)要 求高精度和魯棒性的應(yīng)用中，前者是不錯(cuò)的選擇。
其他運(yùn)算放大器在不同上電時(shí)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(gè)電源未上電，放大器不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)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(huì)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(shí)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(huì)流入芯片，可能引起損害。
圖8. V+未上電時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)電源未上電的情況，需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本文介紹 了如何搭建評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的電路（圖2）、如何分析電流路徑以及評(píng)估潛 在的風(fēng)險(xiǎn)。
總結(jié)
為了避免過壓或閂鎖情況，必須同時(shí)建立運(yùn)算放大器電源。一般指 南如下：
1.上電時(shí)，先接通電源，再在輸入端施加信號(hào)
2.關(guān)斷時(shí)，先關(guān)閉輸入信號(hào)，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(huì)引起問題， 尤其是當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要適當(dāng)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)給出的 規(guī)格以內(nèi)。在無法同時(shí)上電的應(yīng)用中，輸入端和輸出端增加限流電 阻會(huì)有幫助。
我們?cè)陔娫次瓷想姷膽?yīng)用中測(cè)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(cuò)。集 成OVP電路的ADA4177的魯棒性最好。在某個(gè)電源在某個(gè)時(shí)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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