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