在有多個供電電源的系統中，運算放大器電源必須在施加輸入信號的同時或之前建立。否則，便可能發生過壓和閂鎖狀況。

然而，在實際應用中，這個要求有時候可能難以滿足。本文討論運算放大器在不同上電時序情況下的行為表現（參見表2），分析可能的問題及原因，并提出一些建議。

上電時序問題多種多樣

上電時序問題可能出現于多種不同情況。例如，在一個客戶應用中，AD8616配置為緩沖器，在電源建立之前輸入為0 V（圖1），負電源先于正電源上電（負電源有而正電源無）。

圖1. AD8616測試電路，施加–3 V V–，V+沒有連接電源

表1顯示了這種情況下AD8616所有引腳的結果。在正電源管腳V+上的信號建立之前，V+引腳和OUT引腳上的電壓為負值。這可能不會損害運算放大器，但若這些信號連接到其他尚未完全供電的芯片上的引腳（例如，假設ADC使用同一V+，其電源引腳一般只能承受最小–0.3 V電壓），則這些芯片可能會受損。如果V+先于V–上電，會發生同樣的問題。

表2列出了上電時序的一些可能情況。

表1. 施加–3 V V–而V+沒有連接電源時的AD8616引腳電壓

引腳1: OUTA	引腳2: –INA	引腳3: +INA	引腳4: V–	引腳5: +INB	引腳6: –INB	引腳7: OUTB	引腳8: V+
–1.627	–1.627	–0.959	–3.000	–0.959	–1.627	–1.627	–1.627

表2. 上電時序的可能情況IN

	IN	V+	V–	放大器電源有其他負載	放大器輸出有負載
情形 1	浮空 浮空	有 無	無 有	否 否	否 否
情形 2	0 V 0 V	有 無	無 有	否 否	否 否
情形 3	正或負 正或負	有 無	無 有	否 否	否 否
情形 4	正或負 正或負 正或負 正或負	有 有 無 無	無 無 有 有	是 否 是 否	否 是 否 是

運算放大器內部的靜電放電(ESD)二極管

靜電放電可能引起過壓事件。大部分運算放大器內置ESD二極管 以防止靜電ESD事件。當V+或V–不存在時，ESD二極管是分析放大 器相關行為的重要工具。圖2為ADA4077/ADA4177的簡化框圖。表3 顯示了ADA4077-2/ADA4177-2內部ESD二極管和背靠背二極管的典 型壓降。注意，背靠背二極管位于運算放大器的兩個輸入引腳之間， 用來箝位放大器允許輸入的最大差分信號。

圖2. ADA4077/ADA4177簡化框圖

表3. 運算放大器內部二極管

	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

還要注意，當利用DMM測量ADA4077-2的D5/D6時，結果顯示兩個輸 入引腳之間無二極管。事實上，背靠背二極管之前有兩個串聯電阻， 用來將輸入電流限制在±10 mA以下。內部電阻和背靠背二極管將 差分輸入電壓限制在±Vs，以防止基極-發射極結點擊穿。

A DA4177集成了OVP單元以提高魯棒性。它們位于ESD二極管和 背靠背二極管之前，因此很難用DMM測量這些二極管的管壓降。 ADA4177的輸出ESD二極管的管壓降是可以測量的。

建立評估系統

圖3用于測量運算放大器電路的電流流向等行為。通道A和通道B各 自配置為緩沖器，通道B同相輸入端經由100 kΩ電阻連接到GND。讓 V+不供電（V–供電）或V+供電（V–不供電），便可利用安培表和電 壓表測量輸入及電源相關變量（電壓值和電流值）。通過分析這些 變量，可以確定電流流動的路徑。

圖3. 放大器電流路徑評估系統建立

情形1：輸入懸空

表4顯示了一個輸入懸空和一個電源未供電時的結果。當V–供電而 V+不供電時，V+引腳上有一個負電壓。當V+供電而V–不供電時，V– 引腳上有一個正電壓。

測試ADA4077-2和ADA4177-2得到類似的結果。輸入引腳和電源引 腳上沒有觀測到大電流，輸入懸空的運算放大器在一個供電軌沒 有供電時仍然是安全的。

情形2：輸入接地

表5顯示了輸入接地時的結果。注意，對于IB+，負值意味著電流流 出+IN引腳。對于IOUT，負值意味著電流流出–IN引腳。

表4. ADA4077-2/ADA4177-2輸入懸空時的結果

	條件	V+	V–	ISY+ (mA)	ISY– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	IN (V)	OUT (V)
ADA4077-2	正負電源都上電	15	–15	1.02	1.01	–0.00005	0.00007	0.001	–0.008
V+ 無	–13.1	–15	0	0.12	–0.00001	0.001	–13.73	–14.42
V– 無	15	13.06	0.15	0	–0.00001	0.001	12.93	13.62
ADA4177-2	正負電源都上電	15	–15	0.98	0.96	–0.00001	0.00002	0	0.001
V+ 無	–14.26	–15	0	0.14	–0.00002	0.00137	–13.77	–13.78
V– 無	15	12.96	0.14	0	–0.00001	–0.00039	12.26	12.31

表5. ADA4077-2/ADA4177-2輸入接地時的結果

	條件	V+	V–	ISY+&(mA)	ISY– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	IN (V)	OUT (V)
ADA4077-2	正負電源都上電	15	–15	1.01	1	–0.00005	0.00001	0	–0.019
V+ 無	–0.846	–15	0	2.30	2.300	–1.60	–0.017	–2.68
V– 無	15	0.847	1.78	0	–1.758	1.064	0.12	2.116
ADA4177-2	正負電源都上電	15	–15	0.98	0.96	–0.00001	0.00002	0	0
V+ 無	–11.99	–15	0	9.3	9.300	–0.200	–0.068	–11.98
V– 無	15	1.848	1.84	0	–1.823	0.067	0.013	1.851

以ADA4077-2 V+未上電的情況為例，ESD二極管將V+箝位于VIN電壓。

V I N通過E S D箝位二極管連接到V+，因此當V I N為0 V時，V+ 為–0.846 V。

電流流動路徑：如圖4中的紅色路徑所示，0.7 mA電流從GND (+IN)流到V+。1.6 mA電流從GND (+IN)經過內部電阻、D5以及–IN 和OUT之間的反饋路徑，流入輸出端。最后，這兩個電流（0.7 mA 和1.6 mA）匯合流至–15 V，合并后的電流流回GND (+IN)。

ADA4177-2和ADA4077-2的結果類似。注意，ADA4177-2中的D1是通 過橫向PNP晶體管的發射極基極實現的。該晶體管將過壓電流從V+ 帶走到V–。圖4中的ADA4177電路顯示有9.1 mA電流從V+流回V–，并 與反饋路徑中的0.2 mA電流匯合，產生9.3 mA電流流至–15 V，然后 該電流流回GND。

ADA4077-2或ADA4177-2的輸入引腳和電源引腳均未觀測到大電流（表 5）。增益為+1且+IN接地時，這些運算放大器可承受任何時序的PU上電。

情形3：有輸入

在一個電源未上電的情況下，將一個正信號或負信號（+10 V或-10 V） 施加于+IN端。表6顯示沒有大電流，因此當增益為+1且+IN有輸入時， 這些運算放大器可承受任何順序的PU上電。

電流流動路徑分析與情形2（0 V輸入）相似，參見圖5。

圖4. V+未上電時ADA4077/ADA4177電流路徑（輸入接地）

圖5. V+未上電時ADA4077/ADA4177電流路徑（10 V輸入）

表6

	條件	V+	V–	ISY+ (mA)	ISY– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	IN (V)	OUT (V)
ADA4077-2	正負電源均上電	15	–15	1.03	1.01	0.00098	–0.00003	10	9.97
V + 不存在，正輸入	9.14	–15	0	2.4	2.396	–1.653	9.99	7.3
V + 不存在，負輸入	–10.83	–15	0	2.41	2.308	–1.651	–10.02	–12.66
V – 不存在，正輸入	15	10.83	1.81	0	–1.689	1.055	10.02	12.09
V– 不存在，負輸入	15	–9.15	1.77	0	–1.759	1.031	–9.99	–7.88
ADA4177-2	正負電源均上電	15	–15	1.02	1	–0.00099	–0.00009	9.99	9.97
V+ 不存在，正輸入	–9.09	–15	0	8.86	8.866	–0.113	9.92	–9.06
V+ 不存在，負輸入	–12.33	–15	0	4.31	4.18	–0.039	–10.02	–12.32
V– 不存在，正輸入	15	11.42	1.33	0	–1.2	0.056	9.99	11.43
V– 不存在，負輸入	15	–8.33	1.51	0	–1.492	0.062	–9.97	–8.32

情形4：有輸入且電源/輸出有負載

在實際應用中，運算放大器電路可能要與其他電路一起工作。例如， 運算放大器的輸出可能會驅動一個負載，或者運算放大器的電源 會為其他電路供電。這會引起問題。

在該測試中，一個47 Ω電阻連接在輸出與GND之間，或連接在未上 電的電源引腳與GND之間。圖7顯示了ADA4077的測試結果。三種可 能情況會帶來風險（假定V+未上電）：

情況1：當輸入為10 V且OUT負載為47 Ω時，輸出為1.373 V。有23 mA電流從運算放大器的輸出引腳流出（參見圖6），電流路徑為：

輸入信號源提供30.2 mA電流

24 mA電流流經D1至V+，6.2 mA電流流經D5和反饋路徑至OUT

來自V+的24 mA電流分為1 mA（至V–）和23 mA（至OUT）

29.2 mA電流流經47 Ω負載至GND

ADA4077-2允許的輸入電流最大為10mA，所以需要限流。在+IN端 增加一個1 kΩ電阻，可使輸入電流降至6.8 mA。

情況2：當輸入為10 V且V+負載為47 Ω時，170 mA電流會流入 ADA4077-2，并從V+引腳流出到47 Ω電源負載。170 mA電流會燒 毀內部二極管，損壞芯片。在+IN端增加一個1 kΩ電阻，可使輸入 電流降至8.9 mA。圖7顯示了電流流動路徑。

表7.ADA4077的輸出引腳或無電源的電源引腳上有負載

ADA4077-2	條件	IN (V)	V+	V–	ISY+ (mA)	ISY– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	OUT (V)
V+ 無	Vo 或 V+ 無負載/正輸入	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+ 無負載/負輸出	–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	14.30	2.284	–1.629	–0.563

圖6. V+未上電時ADA4077的電流路徑（10 V輸入和47 Ω輸出負載）

圖7. V+未上電時ADA4077的電流路徑（10 V輸入和47 Ω電源負載）

情況3：當輸入為負(-10 V)且OUT負載為47 Ω時（參見圖8），有48 mA電流流經芯片。由此產生的功耗為48 mA × (–2.5 V + 15 V) = 0.6 W。ADA4077-2的θJA為158°C/W，因此結溫比環境溫度高出 94.8°。若有兩個通道或負載更重，結溫可能高于150°，致使芯片 受損。

不應在輸入端增加限流電阻，而應在輸出端增加限流電阻。

當V+上電而V–未上電時，會發生同樣的現象。通過增加外部電 阻來限制電流，電路魯棒性可以變得更好。

對于ADA4177-2，僅情況3適用。當有很大的負輸入，同時輸出端有 很重的負載，且V+未上電時，有53 mA電流流經芯片，功耗可能會 增加，結溫隨之提高（參見圖9）。通過在輸出端增加一個1 kΩ電阻， 可以避免這種風險。

在這兩款運算放大器中，ADA4177-2比ADA4077-2更魯棒。在同時要 求高精度和魯棒性的應用中，前者是不錯的選擇。

其他運算放大器在不同上電時序下的表現

在運算放大器內部，二極管、電阻和OVP單元有各種各樣的實施方式。 有些運算放大器沒有內部OVP單元，有些沒有背靠背二極管，有些沒 有內部限流電阻。如果一個電源未上電，放大器不同的內部結構會產 生不同的結果。此外，不同的運算放大器設計也會產生不同的結果。

例如，ADA4084-2沒有內部限流電阻和OVP單元，其ESD二極管連接 到電源和背靠背二極管。表9和圖10顯示了V+未上電且有10 V輸入 時的結果。ADA4084的電流路徑與ADA4077-2和ADA4177-2相似（上 文中的情形3已討論）。然而，ADA4084沒有內部電阻或OVP單元來 限制電流，60 mA電流會流入芯片，可能引起損害。

圖8. V+未上電時ADA4077的電流路徑（-10 V輸入和47 Ω輸出負載）

圖9. V+未上電時ADA4177的電流路徑（-10 V輸入和47 Ω輸出負載）

圖10. V+未上電時ADA4084的電流路徑（10 V輸入）

表8. ADA4177的輸出引腳或無電源的電源引腳上有負載

ADA4177-2	條件	IN (V)	V+	V–	ISY+ (mA)	ISY– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	OUT (V)
V+ 無	Vo 或 V+ 浮空和負輸入	–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

表9

ADA4084-2	Condition	V+	V–	I+(mA)	I– (mA)	IB+ (mA)	IOUT (mA)	IN (V)	OUT (V)
	正負電源均上電	15	–15	1.38	1.37	–0.001	–0.0001	10	9.98
V+ 未上電，正輸入	8.71	–15	0	60.1	60.102	–51.89	9.56	7.99

在系統應用中，不同的運算放大器、不同的拓撲結構（如同相放大、 反相放大、差動放大等）、不同的負載和外部連接都可能存在。如 果存在有某個電源未上電的情況，需要對風險進行評估。本文介紹 了如何搭建評估風險的電路（圖2）、如何分析電流路徑以及評估潛 在的風險。

總結

為了避免過壓或閂鎖情況，必須同時建立運算放大器電源。一般指 南如下：

上電時，先接通電源，再在輸入端施加信號

關斷時，先關閉輸入信號，再關閉電源

在實際應用中，可能難以遵守這些指導原則。這可能會引起問題， 尤其是當有輸入信號時，設計人員需要適當評估風險。一種有效的 解決方案是限制運算放大器的輸入電流，使它在數據手冊給出的 規格以內。在無法同時上電的應用中，輸入端和輸出端增加限流電 阻會有幫助。

我們在電源未上電的應用中測試了三款ADI運算放大器（ADA4084-2、 ADA4077-2和ADA4177-2）。集成內部電阻的ADA4077-2表現不錯。集 成OVP電路的ADA4177的魯棒性最好。在某個電源在某個時間段可 能未上電且無法增加外部限流電阻的應用中，推薦使用ADA4177以 避免精度性能下降。