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。

	在	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 席	否 否	否 否
案例2	0 V 0 V	目前 缺席	缺 席	否 否	否 否
案例3	正或负 正或负	目前 缺席	缺 席	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	缺席 缺 席 在场	是 否 是 否	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。

审核编辑：郭婷