运算放大器中功率排序不当:分析风险

在具有多个电源电压的系统中,运算放大器功率 电源必须在任何输入的同时或之前建立 应用信号。如果没有发生这种情况,过压和闩锁 条件可能会发生。
但是,这有时在现实世界中可能很难满足。 应用。本文将介绍运算放大器在 不同的电源时序情况(见表2),分析可能 问题,并提出了一些建议。
电源排序问题可能有所不同
在许多不同的情况下,电源排序问题 可能出现。例如,在一个客户应用中,ad8616可以 配置为缓冲器,在电源之前输入为0 v 建立(图1),负电源在 正电源(存在负电源,不存在正电源)。
图1.ad8616测试电路,施加–3 v v–且不存在v+。
表1显示了所有ad8616引脚在这种条件下的结果。v+ 之前 施加,v+ 引脚和 out 引脚上的电压为负。这可能会 不会损坏运算放大器,但如果这些信号连接到端子 在其他尚未完全供电的芯片上(例如,假设 adc使用相同的v+,其电源引脚通常只能容忍 –0.3 v 最小电压),芯片可能会受到损坏。类似的问题 如果 v+ 在 v– 之前通电,就会发生。
引脚 1:
出塔
  引脚 2:
–ina
  引脚 3:
+ina
  引脚 4:
v–
  引脚5:
+inb
  引脚 6:
–inb
  引脚 7:
输出
  引脚8:
v+
–1.627
  –1.627
  –0.959
  –3.000
  –0.959
  –1.627
  –1.627
  –1.627
表2突出显示了电源排序中的一些可能情况。

  v+
  v–
  放大器负载功率
  带负载的放大器输出
案例1
  浮动浮动
目前
缺席
  缺

  否 否
否 否
案例2
  0 v 0 v
目前
缺席
  缺

  否 否
否 否
案例3
  正或负 正或负
目前
缺席
  缺

  否 否
否 否
案例4
  正或负 正或负 正或负 正或负
正或负
现在 现在


缺席
  缺席 缺

在场
是 否 是

否 是


运算放大器内的静电放电(esd)二极管
静电放电也会导致过压事件。大多数操作 放大器具有内部esd二极管,以防止静电esd事件。 esd二极管可以提供分析v+或v-时活动的关键 缺席。图2是ada4077/ada4177的简化框图。 表3显示了ada4077-2/ada4177-2内部的典型压降 esd二极管和背靠背二极管。请注意,背靠背二极管 放置在运算放大器的两个输入端子之间,以箝位 最大差分输入信号。
图2.ada4077/ada4177简化框图
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
另请注意,当使用数字万用表测量ada4077-2的d5/d6时,它会 显示两个输入端子之间没有二极管。其实有两个系列 背靠背二极管之前的电阻,以限制输入电流小于 ±10毫安。内部电阻和背靠背二极管限制差分 输入电压至 ±vs,以防止基极-发射极结击穿。
ada4177集成了ovp电池,以实现鲁棒性。它们被放置 在esd二极管和背靠背二极管之前,因此很难测量 这些二极管由数字万用表。可以测量ada4177的输出esd二极管。
评估设置
图3用于测量运算放大器的活动。 通道 a 和 通道b各自配置为缓冲器,通道b同相 输入通过100 kω电阻连接到gnd。通过使 v+ 缺席 (v–存在)或v+存在(v–不存在),输入和功率相关变量 可以通过安培和电压表测量。通过分析 这些变量,我们可以确定当前的流路。
图3.电源排序测试的设置。
情况 1:输入浮动
表4显示了浮动输入和一个无电源的结果。当 v– 存在且不存在 v+,则 v+ 引脚处存在负电压。什么时候 存在 v+ 且不存在 v– 表示 v– 引脚处存在正电压。
对ada4077-2和ada4177-2进行测试的结果相似。不大 在输入引脚和电源引脚以及运算放大器处观察电流 当电源轨不存在时,浮动输入仍然是安全的。
情况2:输入接地
表5显示了输入接地时的结果。ib+ 的注意事项,a 负值表示流出 +in 端子的电流。对于 iout, 负值表示流出 –in 端子的电流。
条件
  v+
  v–
  isy+ (毫安)
  isy– (ma)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  在 (v)
  输出 (v)
ada4077-2
  所有电源 15 –15
  1.02 1.01 –0.00005 0.00007 0.001 –0.008
v+ 不存在 –13.1 –15 0 0.12 –0.00001 0.001 –13.73 –14.42
v– 缺席 15 13.06 0.15 0 –0.00001 0.001 12.93 13.62
ada4177-2
  所有电源 15 –15
  0.98 0.96 –0.00001 0.00002 0 0.001
v+ 不存在 –14.26 –15 0 0.14 –0.00002 0.00137 –13.77 –13.78
v– 缺席 15 12.96 0.14 0 –0.00001 –0.00039 12.26 12.31
条件
  v+
  v–
  isy+&(ma)
  isy– (ma)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  在 (v)
  输出 (v)
ada4077-2
  所有电源 15 –15
  1.01 1 –0.00005 0.00001 0 –0.019
v+ 不存在 –0.846 –15 0 2.30 2.300 –1.60 –0.017 –2.68
v– 缺席 15 0.847 1.78 0 –1.758 1.064 0.12 2.116
ada4177-2
  所有电源 15 –15
  0.98 0.96 –0.00001 0.00002 0 0
v+ 不存在 –11.99 –15 0 9.3 9.300 –0.200 –0.068 –11.98
v– 缺席 15 1.848 1.84 0 –1.823 0.067 0.013 1.851
以不存在v+的ada4077-2为例,v+被箝位到vin esd二极管的电压。
vin通过esd箝位二极管连接到v+,因此当vin为0 v时,v+ 为 –0.846 v。
电流路径回路:如图4所示的红色路径,0.7 ma电流 从 gnd (+in) 流向 v+。1.6 ma 电流从接地 (+in) 流出 通过一个内部电阻器,d5 以及 –in 和 out,则电流流入输出端子。最后是两种潮流 (0.7 ma 和 1.6 ma)组合成 –15 v 的电流,并且组合 电流流回gnd (+in)。
ada4177-2和ada4077-2的结果相似。请注意, 在ada4177-2中,d1由横向的发射极基极实现 pnp 晶体管。晶体管将过压电流从 v+ 到 v–。图4中的ada4177电路显示9.1 ma电流 从 v+ 返回到 v– ,并在反馈中结合 0.2 ma 电流 路径,导致 9.3 ma 电流流向 –15 v,然后电流回流 到gnd。
在输入引脚和电源引脚上均未观察到大电流 ada4077-2或ada4177-2(表5)。这些运算放大器可以承受 增益为+1且+in接地时pu排序的任何顺序。
情况 3:使用输入
正或负信号(+10 v或–10 v)施加到+in端子 当一个权力缺席时。表6显示没有大电流,因此这些操作 放大器可以承受任何阶次的pu排序,增益为+1,+in时 停飞时间很短。
电流流路分析与案例2(0 v输入)类似,请参考 图5.
图4.v+不存在时的ada4077/ada4177电流路径(输入接地)。
图5.v+不存在时的ada4077/ada4177电流路径(10 v输入)。
条件
  v+
  v–
  isy+ (毫安)
  isy– (ma)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  在 (v)
  输出 (v)
ada4077-2
  所有电源 15 –15
  1.03 1.01 0.00098 –0.00003 10 9.97
v+ 不存在且输入为正 9.14 –15 0 2.4 2.396 –1.653 9.99 7.3
v+ 不存在和负输入 –10.83 –15 0 2.41 2.308 –1.651 –10.02 –12.66
v– 不存在和正输入 15 10.83 1.81 0 –1.689 1.055 10.02 12.09
v– 不存在和负输入 15 –9.15 1.77 0 –1.759 1.031 –9.99
  –7.88
ada4177-2
  所有电源 15 –15
  1.02 1 –0.00099 –0.00009 9.99 9.97
v+ 不存在且输入为正 –9.09
  –15
  0 8.86 8.866 –0.113
  9.92 –9.06
v+ 不存在和负输入 –12.33
  –15
  0 4.31 4.18 –0.039
  –10.02
  –12.32
v– 不存在和正输入 15 11.42 1.33 0 –1.2 0.056 9.99 11.43
v– 不存在和负输入 15 –8.33 1.51 0 –1.492 0.062 –9.97 –8.32
情况4:带输入和负载在电源/输出
在实际应用中,运算放大器电路可能与另一个电路一起工作。 例如,运算放大器的输出可能驱动负载,或者运算放大器的功率 电源也可以为其他电路供电。这可能会导致问题。
在此测试中,在输出和gnd之间连接一个47 ω电阻或 缺少电源引脚和接地。 表 7 显示了 ada4077.大电流以红色突出显示。三种可能的情况 假设不存在 v+,可能会带来风险:
情况1:当输入为10 v,out负载为47 ω时,输出为1.373 v。当有23 ma电流从运算放大器的输出引脚流出时(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
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
电流需要受到限制。通过在+in处增加一个1 kω电阻,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电流流入ada4077-2,并从v+引脚流出至47 ω电源负载。170 ma 电流会烧毁内部二极管并损坏芯片。通过在+in处增加一个1 kω电阻,输入电流降至8.9 ma。图 7 显示了当前的流路。
ada4077-2 条件
  在 (v) v+
  v–
  isy+ (毫安)
  isy– (ma)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  输出 (v)
v+ 不存在
  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+ 空载/负输入 –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.不存在v+时的ada4077电流路径(10 v输入和47 ω输出负载)。
图7.不存在v+时的ada4077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 (参见图8),有48 ma电流流过 芯片。这将产生48 ma× (–2.5 v + 15 v) = 0.6 w功率 耗散。考虑到ada4077-2的158° c/w θja,结 温度比环境温度高94.8°。如果有 两个通道或有较重的负载,结温可能 高于 150°,芯片可能会损坏。
电阻器不是在输入端增加一个限流电阻器,而是 应该在输出中添加。
当v+存在而v-不存在时,也会发生同样的现象。 通过添加外部电阻来限制电流,电路可以 更加健壮。
对于ada4177-2,仅适用情况3。当有大的负数时 输入和重负载同时在输出端,当v+为时 不存在且有53 ma电流流过芯片,功耗 可能会升高,结温升高(参见 到图 9)。通过在输出端增加一个1 kω电阻,可以避免风险。
在两个运算放大器中,ada4177-2比ada4077-2更可靠。是的 是要求精度和稳健性的应用的首选。
电源排序中的其他运算放大器活动
在运算放大器中,二极管、电阻、 和 ovp 细胞。有些运算放大器没有内部ovp单元,有些没有 背靠背二极管。不同的实现将产生不同的 缺少一个电源时的结果。此外,不同的运算放大器设计 可以产生不同的结果。
例如,ada4084-2没有内部限流电阻或过压保护 电池,并且具有连接到电源并背靠背的esd二极管 二极管。表 9 和图 10 显示了 v+ 不存在且 为 10 v 输入。ada4084的活动和电流路径与 ada4077-2和ada4177-2(前面在案例3中讨论过)。然而 由于ada4084没有内部电阻或ovp电池来限制电流, 60 ma 电流将流入芯片,这可能会造成损坏。
图8.不存在v+时的ada4077电流路径(–10 v输入和47 ω输出负载)。
图9.不存在v+时的ada4177电流路径(–10 v输入和47 ω输出负载)。
图 10.v+不存在时的ada4084电流路径(10 v输入)。
ada4177-2 条件
  在 (v) v+
  v–
  isy+ (毫安)
  isy– (ma)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  输出 (v)
v+ 不存在
  vo 或 v+ 为浮动和负输入 –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
ada4084-2 条件
  v+
  v–
  i+ (毫安)
  i– (毫安)
  ib+ (毫安)
  呵呵 (毫安)
  在 (v) 输出 (v)
所有电源 15 –15
  1.38 1.37 –0.001 –0.0001 10 9.98
v+ 不存在且输入为正 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、反相放大和差分放大), 可以实现不同的负载和外部连接。 如果没有一个电源,则需要评估风险。本文 可以提供有关设置评估电路的指导(图2),如何 分析当前路径,并评估潜在风险。
总结
为避免过压或闩锁情况,运算放大器功率 供应必须同时建立。一般准则是:
在上电序列期间,先打开电源,然后应用 输入端信号
在关机期间,先关闭输入信号,然后关闭 电源
在实际应用中,这些准则可能难以遵守。 这可能会导致问题,尤其是当有输入信号时,并且 设计师需要正确评估风险。一个有效的解决方案是尝试 限制运算放大器的输入电流,使其在数据规格范围内 表。在输入和输出端增加一个限流电阻器有助于 无法同时供电的应用。
我们在无电源应用中测试了三个adi运算放大器 (ada4084-2、ada4077-2 和 ada4177-2)。与内部集成时 电阻方面,ada4077-2被证明非常可靠。ada4177,当 与ovp电路集成,提供最佳的鲁棒性。在应用程序中 电源可能不存在,而外部限流电阻器无法供电的地方 建议使用ada4177,以避免降低精度。


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