运算放大器电源上电时序导致的风险分析

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