Неправильная силовая секвенция в операционных усилителях: анализ рисков
В этой статье рассматривается деятельность ОУ в различных ситуациях силовой последовательности, анализируются возможные проблемы и представлены некоторые предложения.
В системах с множеством питающих напряжений источники питания операционных усилителей должны устанавливаться одновременно с или перед применением любых входных сигналов. Если этого не произойдет, могут возникнуть условия перенапряжения и запирания.
Однако иногда это может быть сложным требованием для удовлетворения в приложениях реального мира. В этой статье рассматривается работа операционных усилителей в различных ситуациях силовой последовательности (см. Таблицу 2), анализируются возможные проблемы и представлены некоторые предложения.
Проблемы с силовой секвенцией могут варьироваться
Существует несколько различных сценариев, в которых могут возникать проблемы с секвенцией. Например, в одном клиентском приложении AD8616 может быть сконфигурирован как буфер, входной сигнал равен 0 В, прежде чем источники питания будут установлены (рис. 1), а отрицательное питание будет включено до положительной подачи (отрицательная мощность присутствует и положительная сила отсутствует).
Рисунок 1. Цепь тестирования AD8616 с -3 VV-приложением и V + отсутствует
В таблице 1 показаны результаты всех контактов AD8616 в таких условиях. Перед применением V + напряжение на контактах V + и OUT отрицательно. Это может не повредить операционный усилитель, но если эти сигналы подключены к терминалам на других чипах, которые не были полностью подключены (например, если АЦП использует тот же V +, и его пин-сигнал обычно допускает только -0, 3 В минимальное напряжение), чипы могут пострадать. Аналогичная проблема будет возникать, если V + включен до V-.
Таблица 1. Напряжение контактов AD8616 с -3 VV-Applied и V + Absent
В таблице 2 показаны некоторые возможные ситуации при силовом секвенсе.
Таблица 2. Возможные ситуации в силовой последовательности
Диоды электростатического разряда (ОУР) в ОУ
Электростатический разряд также может привести к событию перенапряжения. Большинство ОУ имеют внутренний диод ESD для предотвращения электростатических событий ESD. Диоды ESD могут служить ключом к анализу активности, когда отсутствуют V + или V-. На рисунке 2 показана упрощенная блок-схема ADA4077 / ADA4177. В таблице 3 показано типичное падение напряжения ADA4077-2 / ADA4177-2 для внутренних диодов ESD и обратных диодов. Обратите внимание, что обратные диоды размещаются между двумя входными клеммами операционных усилителей, чтобы зажать максимальный дифференциальный входной сигнал.
Рисунок 2. ADA4077 / ADA4177 упрощенная блок-схема
Таблица 3. Внутренний диод ОУ
Также обратите внимание, что когда DMM используется для измерения D5 / D6 ADA4077-2, он не показывает диода между двумя входными клеммами. На самом деле, есть две серии резисторов перед обратными диодами для ограничения входного тока меньше ± 10 мА. Внутренние резисторы и обратные диоды ограничивают дифференциальное входное напряжение до ± Vs для предотвращения пробоя соединения базового эмиттера.
Для ADA4177 ячейки OVP интегрированы для обеспечения надежности. Они размещаются перед диодами ESD и обратными диодами, поэтому их трудно измерить с помощью DMM. Выходные ОУР-диоды ADA4177 могут быть измерены.
Настройка оценки
Рисунок 3 используется для измерения активности ОУ. Каналы A и Канал B сконфигурированы как буфер, а неинвертирующий вход канала B подключается к GND резистором 100 кОм. Если V + отсутствует (V-present) или V + присутствует (V-отсутствует), входные и связанные с мощностью переменные могут быть измерены амперами и измерителями напряжения. «Анализируя эти переменные, мы можем определить текущий путь потока.
Рисунок 3. Настройка тестирования последовательности питания
Случай 1: вход плавает
В таблице 4 показаны результаты плавающего ввода и один отсутствующий источник питания. Когда V- присутствует и V + отсутствует, на выводе V + есть отрицательное напряжение. Когда V + присутствует и V- отсутствует, на V-образном выводе имеется положительное напряжение.
Тестирование ADA4077-2 и ADA4177-2 показывает аналогичные результаты. На входных штырях и силовых контактах не наблюдается больших токов, а операционный усилитель с плавающим входом остается безопасным, когда отсутствует шина питания.
Случай 2: вход заземлен
В таблице 5 показаны результаты, когда вход заземлен. Примечание для IB +, отрицательное значение означает текущий поток из терминала + IN. Для IOUT отрицательное значение означает текущий поток из терминала -IN.
Таблица 4. Результаты ADA4077-2 / ADA4177-2 с плавающим входом
Таблица 5. Результаты ADA4077-2 / ADA4177-2 с заземленным входом
Взяв ADA4077-2 с отсутствием V + в качестве примера, V + зажимается до напряжения VIN с помощью диода ESD.
- VIN подключается к V + через диодный зажим ESD, поэтому, когда VIN равен 0 В, V + составляет -0, 846 В.
- Контур потока тока: как красный путь, показанный на рисунке 4, ток 0, 7 мА течет от GND (+ IN) до V +. Ток 1, 6 мА протекает от GND (+ IN) через внутренний резистор, D5 и канал обратной связи между -IN и OUT, затем ток поступает в выходной терминал. Наконец, два тока (0, 7 мА и 1, 6 мА) объединяются в поток до -15 В, а объединенный ток возвращается к GND (+ IN).
Результаты аналогичны между ADA4177-2 и ADA4077-2. Обратите внимание, что в ADA4177-2 D1 реализуется базой эмиттера бокового PNP-транзистора. Транзистор направляет ток перенапряжения от V + к V-. Схема ADA4177 на рисунке 4 показывает ток 9, 1 мА с V + обратно на V- и в сочетании с током 0, 2 мА в цепи обратной связи, приводит к току тока 9, 3 мА до -15 В, затем ток возвращается к GND.
На входных штырях и силовых контактах не наблюдается больших токов для ADA4077-2 или ADA4177-2 (таблица 5). Эти операционные усилители могут противостоять любому порядку последовательностей PU в усилении +1 при + IN, заземленном.
Случай 3: с вводом
Положительный или отрицательный сигнал (+10 В или -10 В) подается на клемму + IN, когда одна мощность отсутствует. В таблице 6 нет большого тока, поэтому эти операционные усилители могут выдерживать любой порядок последовательностей PU в усилении +1 при + IN, заземленном на короткое время.
Текущий анализ пути потока аналогичен случаю 2 (вход 0 В), см. Рисунок 5.
Рисунок 4. Путь ADA4077 / ADA4177, когда V + отсутствует (вход заземлен)
Рисунок 5. Путь ADA4077 / ADA4177, когда V + отсутствует (вход 10 В)
Таблица 6
Случай 4: с входом и с нагрузкой при мощности / выходе
В реальном приложении схема ОУ может работать с другой схемой. Например, выход операционного усилителя может приводить к нагрузке, или источник питания ОУ может также приводить в действие другие цепи. Это может вызвать проблемы.
В этом тесте резистор 47 Ом подключается между выходом и GND или отсутствующими контактами питания и GND. В таблице 7 показаны результаты испытаний для ADA4077. Большие токи выделены красным цветом. Три возможных ситуации могут представлять риск, если V + отсутствует:
Ситуация 1: Когда входной сигнал составляет 10 В, а выход OUT равен 47 Ом, выход составляет 1, 373 В. Если на выходе выходного сигнала операционного усилителя имеется ток 23 мА (см. Рисунок 6), текущий путь:
- Источник источника входного сигнала: ток 30, 2 мА
- 24 мА ток через D1-V + и ток 6, 2 мА через D5 и обратный путь к OUT
- Ток 24 мА от V + делится на 1 мА (до V-) и 23 мА (на выход)
- 29, 2 мА ток через нагрузку 47 Ом на GND
Текущее значение должно быть ограничено. Добавляя резистор 1 кОм при + IN, входной ток уменьшается до 6, 8 мА.
Ситуация 2: Когда входной сигнал составляет 10 В, а нагрузка V + составляет 47 Ом, ток 170 мА течет в ADA4077-2 и вытекает из выводов V + при нагрузке на 47 Ом. Ток 170 мА будет гореть внутренним диодом и повредить чип. Добавляя резистор 1 кОм при + IN, входной ток уменьшается до 8, 9 мА. На рисунке 7 показан текущий путь потока.
Таблица 7. ADA4077 с нагрузкой на выходной штырь или отсутствующий контакт питания
Рисунок 6. Токовый путь ADA4077, когда V + отсутствует (вход 10 В и выходная нагрузка 47 Ом)
Рисунок 7. Токовый путь ADA4077, когда V + отсутствует (входная мощность 10 В и 47 Ом)
Ситуация 3: Когда вход отрицательный (-10 В), а нагрузка OUT равна 47 Ом (см. Рис. 8), ток протекает через чип 48 мА. Это создаст рассеивание мощности 48 мА × (-2, 5 В + 15 В) = 0, 6 Вт. Учитывая, что ADA4077-2 составляет 158 ° C / Вт θJA, температура перехода на 94, 8 ° выше, чем температура окружающей среды. Если есть два канала или имеется более тяжелая нагрузка, температура перехода может быть выше 150 °, и чип может быть поврежден.
Вместо добавления на входе резистора, ограничивающего ток, резистор должен быть добавлен на выходе.
Когда V + присутствует и V- отсутствует, происходят одни и те же явления. Добавляя внешние резисторы для ограничения тока, схема может быть более надежной.
Для ADA4177-2 применяется только ситуация 3. Когда на выходе имеется большой отрицательный вход и большая нагрузка на выходе, а когда V + отсутствует, и через чип протекает ток 53 мА, рассеиваемая мощность может быть увеличена и температура перехода увеличена (см. Рис. 9). Добавив резистор на 1 кОм на выходе, можно избежать риска.
Из двух операционных усилителей ADA4177-2 более надежный, чем ADA4077-2. Это предпочтительный выбор для приложений, требующих как точности, так и надежности.
Другие операции Op Amp в Power Sequencing
Среди операционных усилителей существуют различные реализации диодов, резисторов и OVP-ячеек. Некоторые операционные усилители не имеют внутренних OVP-ячеек, некоторые из них не имеют обратных диодов. Другая реализация даст разные результаты, если один источник питания отсутствует. Кроме того, различные операционные усилители могут давать разные результаты.
Например, ADA4084-2 не имеет внутреннего токоограничивающего резистора или OVP-элементов, и он имеет диоды ESD, подключенные к источнику питания и обратным диодам. В таблице 9 и на рисунке 10 показаны результаты, когда V + отсутствует и вход 10 В. Активность ADA4084 и текущий путь аналогичны действиям ADA4077-2 и ADA4177-2 (ранее обсуждались в случае 3). Однако, поскольку ADA4084 не имеет внутреннего резистора или ячейки OVP для ограничения тока, ток 60 мА будет поступать в чип, что может привести к повреждению.
Рисунок 8. Токовый путь ADA4077, когда V + отсутствует (-10 В вход и выходная нагрузка 47 Ом)
Рисунок 9. Токовый путь ADA4177, когда V + отсутствует (-10 В вход и выходная нагрузка 47 Ом)
Рисунок 10. Токовый путь ADA4084, когда V + отсутствует (вход 10 В)
Таблица 8. ADA4177 с нагрузкой на выходной штырь или отсутствующий контакт питания
Таблица 9
В системных приложениях могут быть реализованы различные операционные усилители, различные топологии (такие как неинвертирующее усиление, инвертирование усиления и разностное усиление), различные нагрузки и внешние соединения. Если один источник питания отсутствует, риски необходимо оценить. В этой статье могут быть даны рекомендации по настройке схемы оценки (рисунок 2), как анализировать текущий путь и оценивать потенциальные риски.
Резюме
Чтобы избежать ситуаций перенапряжения или запирания, необходимо установить источники питания операционных усилителей одновременно. Общие руководящие принципы:
- Во время последовательности включения питания сначала включите питание, затем подайте сигнал на входе
- Во время выключения питания сначала выключите входной сигнал, затем выключите источник питания
В реальных приложениях эти рекомендации могут быть трудно соблюдаться. Это может вызвать проблемы, особенно когда есть входной сигнал, и разработчикам необходимо правильно оценить риск. Эффективным решением является попытка ограничить входной ток операционного усилителя, поэтому он находится в спецификации в листе данных. Добавление токоограничивающего резистора на входе и выходе может помочь в приложениях, в которых питание невозможно подавать одновременно.
Мы протестировали три операционных усилителя ADI в отсутствующем приложении источника питания (ADA4084-2, ADA4077-2 и ADA4177-2). При интегрировании с внутренними резисторами ADA4077-2 оказался очень надежным. ADA4177, когда он интегрирован с цепью OVP, обеспечил лучшую надежность. В приложениях, где мощность может отсутствовать, а внешние токоограничивающие резисторы не могут быть добавлены, ADA4177 рекомендуется избегать ухудшения точности.
Рекомендации
ADA4077. Analog Devices, Inc.
ADA4177. Analog Devices, Inc.
Аркин, Майкл и Эрик Модика. «Устойчивые усилители обеспечивают комплексную защиту от перенапряжения». Analog Dialogue, том 46, номер 1, 2012.
Бланшар, Пол и Брайан Пеллетье. «Использование диодов ESD в качестве зажимов напряжения». Analog Dialogue, том 49, номер 10, 2015.
Для получения дополнительной информации о ADA4177 и ADA4077 см. Страницы продукта и технические данные здесь: ADA4177 и ADA4077.
Дальнейшее чтение
Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.