运算放大器电源上电时序导致的风险分析

作者：David Guo，ADI公司

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  有  无  否  否
  浮空  无  有  否  否
  情形 2  0 V  有  无  否  否
  0 V  无  有  否  否
  情形 3  正或负  有  无  否  否
  正或负  无  有  否  否
  情形 4  正或负  有  无  是  否
  正或负  有  无  否  是
  正或负  无  有  是  否
  正或负  无  有  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  2.3  2.3  –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  9.3  –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  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  14.3  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  9.1  –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。

参考电路

ADA4077. ADI公司。
ADA4177. ADI公司。
Arkin, Michael and Eric Modica. "鲁棒的放大器提供集成过压保护。"《模拟对话》，第46卷，第1期，2012年。
Blanchard, Paul and Brian Pelletier. "ESD二极管用于电压箝位."《模拟对话》，第49卷，第10期，2015年。
欲了解更多有关ADA4177和ADA4077的信息，请参见产品页面和数 据手册ADA4177 和 ADA4077。