Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach

ghost666 22 Jan 2017 22:08 3066 0
e-mierniki
  • W systemach z kilkoma napięciami zasilania wzmacniacze operacyjne muszą mieć podawane - najlepiej jednocześnie - wszystkie napięcia zasilające, zanim na wejście podane zostaną jakiekolwiek sygnały, inaczej układy te mogą ulec nawet uszkodzone na skutek różnic napięcia lub występować mogą inne niepożądane zjawiska. W poniższym artykule przyjrzymy się różnym sytuacjom, mającym miejsce, gdy zasilanie jest niepoprawnie sekwencjonowane w systemach z op-ampem.
    Czasami trudne lub niemożliwe jest spełnienie wymagań co do poprawności sekwencjonowania napięć zasilania w realnym układzie. W poniższym artykule zobaczymy co dzieje się z opmampami w różnych sytuacjach, podsumowanych w tabeli 2 znajdującej się poniżej.
    Problemy z sekwencjonowaniem zasilania mogą być różne
    Istnieje ogromna liczba scenariuszy jeśli chodzi o sekwencyjne załączanie zasilania w układzie elektronicznym w związku z czym ilość różnych problemów, jaka może powstać, także jest imponująca.
    Na początku rozpatrzmy prosty przykład. Klient zamawiający od firmy Analog Devices zgłosił się z pytaniem dotyczącym wzmacniacza operacyjnego AD8616: w układzie skonfigurowany będzie on jako bufor napięciowy, wejście do układu będzie na potencjale 0 V do momentu stabilizacji zasilania. Jako pierwsze podawane jest napięcie ujemne - w tym czasie dodanie nie jest jeszcze obecne. Sytuacja taka pokazana jest na rysunku 1, poniżej.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.1. Układ testowy z wzmacniaczem operacyjnym AD8616 z podanym napięciem zasilania V- równym -3 V i nieobecnym napięciem V+.

    Tabela 1 pokazana poniżej podsumowuje napięcia na poszczególnych pinach układu w sytuacji nieobecnego zasilania V+ - napięcie na pinie zasilania dodatnie i wyjściu będzie ujemne (mimo że wejście jest na poziomie 0 V). Może nie uszkodzi to samego elementu, ale te piny są podłączone także do innych układów scalonych, które także mogą nie być poprawnie i w pełni zasilone (na przykład do wyjścia op-ampa podłączony może być przetwornik analogowo-cyfrowy zasilany z tych samych linii V+ i V-; pojawianie się ujemnego napięcia w linii V+ może spowodować uszkodzenie tego elementu). Analogiczna sytuacja może mieć miejsce, gdy podane zostanie napięcie V+ a nieobecne V-,
    Tabela 1. Napięcia występujące na poszczególnych pinach układu AD8616 podczas gdy na pin V- podano -3 V, a zasilanie V+ jest nieobecne.
    Pin1: OUTAPin2: ?INAPin3: +INAPin4: V?Pin5: +INBPin6: ?INBPin7: OUTBPin8: V+
    ?1.627?1.627?0.959?3.000?0.959?1.627?1.627?1.627

    Tabela 2 zaprezentowana poniżej podsumowuje różne sytuacje podczas sekwencyjnego załączania poszczególnych napięć w układzie.
    Tabela 2. Różne możliwe sytuacje podczas sekwencyjnego załączania napięć zasilania w układzie z op-ampem.
    WejścieV+V-Wzmacniacz zasilony przy obciążeniuWyjście wzmacniacza z obciążeniem
    Przypadek 1PływająceObecneNieobecneNieNie
    Przypadek 1PływająceNieobecneObecneNieNie
    Przypadek 20 VObecneNieobecneNieNie
    Przypadek 20 VNieobecneObecneNieNie
    Przypadek 3Dodanie bądź ujemneObecneNieobecneNieNie
    Przypadek 3Dodanie bądź ujemneNieobecneObecneNieNie
    Przypadek 4Dodanie bądź ujemneObecneNieobecneTakNie
    Przypadek 4Dodanie bądź ujemneObecneNieobecneNieTak
    Przypadek 4Dodanie bądź ujemneNieobecneObecneTakNie
    Przypadek 4Dodanie bądź ujemneNieobecneObecneNieTak

    Diody zabezpieczające przed ESD wbudowane w Op-Amp
    Rezultatem wyładowania ESD może być pojawienie się nadmiernego napięcia na którymś z pinów układu. Aby ustrzec się przed jego zniszczeniem w dużej części wzmacniaczy operacyjnych montuje się diody zabezpieczające, których zadaniem jest kierować prąd wyładowania do linii V+ lub V-, zależnie od znaku napięcia. Rysunek 2 prezentuje uproszczony schemat blokowy diod zabezpieczających w układach ADA4077/ADA4177. Z kolei w tabeli 3 zebrano informacje dotyczące spadku napięcia na poszczególnych diodach.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.3. Uproszczony schemat blokowy zabezpieczeń w układach ADA4077 (u góry) i ADA4177 (na dole).

    Tabela 3. Spadki napięcia na wewnętrznych diodach przykładowych op-ampów.
    ADA4077ADA4177
    D10.838Nieznana
    D20.845Nieznana
    D30.837Nieznana
    D40.844Nieznana
    D5NieznanaNieznana
    D6NieznanaNieznana
    D70.8410.849
    D80.8420.849

    Warto tutaj jednocześnie zwrócić uwagę, że gdy próbować będziemy mierzyć spadek napięcia w układzie ADA3077-2 na diodach D5/D6 to multimetr nie pokaże nam żadnej diody, co wynika m.in. z faktu że w układzie, przed diodami, znajdują się oporniki mające za zadanie ograniczyć prąd wejścia do ?10 mA. Oporniki te wraz z diodami ograniczają napięcie wejściowe w układzie do ?V co zapobiega przebiciu baza-emiter w strukturze wzmacniacza.
    W przypadku układu ADA4177 w wejście wbudowano układy przeciwprzepięciowe w celu poprawy niezawodności działania wzmacniacza. W związku z obecnością tego elementu nie można dokonać pomiaru spadku napięcia na samych diodach ESD w strukturze. Z kolei w przypadku tego układu nie ma problemu z pomiarem diod zabezpieczających wyjście układu.
    Układ ewaluacyjny
    Na rysunku 3 zaprezentowano układ dedykowany do pomiarów stanu op-ampa w czasie załączania zasilań. Kanał A i B elementu skonfigurowany jest jako bufor (wtórnik napięciowy). Dodatkowo nieodwracające wejście kanału B układu podłączone jest do masy poprzez opornik 100 k?. Teraz możliwy jest pomiar napięć i przepływającego prądu w różnych sytuacjach z napięciem V+ nieobecnym i podłączonym V- czy odwrotnie. Na tej podstawie możliwe jest określenie jakie w tym układzie są kanały przewodzenia prądu w każdej z tych sytuacji.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.3. Układ pomiarowy do testów wzmacniaczy podczas sekwencjonowania zasilania.

    Przypadek 1: pływające wejście

    Tabela 4 zbiera wyniki pomiarów dla układu z pływającym wejściem dla różnych scenariuszy zasilania. Gdy V- jest obecne a V+ nie to na wyjściu obecne jest ujemne napięcie. Gdy sytuacja jest odwrotna - obecne V+ i brak V- - na wyjściu układu pojawia się napięcie dodanie.
    Testując ADA4077-2 i ADA4177-2 dopatrzono się podobnych zachowań. W układzie nie płynęły nigdzie nadmierne prądy, a wartość napięcia na wyjściu układu znajdowała się w bezpiecznym zakresie.


    Tabela 4. Wyniki pomiarów układów ADA4077-2 i ADA4177-2 z pływającym wejściem.
    WarunkiV+V?ISY+ (mA)ISY? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)IN (V)OUT (V)
    ADA4077-2Wszystkie zasilanie15?151.021.01?0.000050.000070.001?0.008
    V+ nieobecne?13.1?1500.12?0.000010.001?13.73?14.42
    V- nieobecne1513.060.150?0.000010.00112.9313.62
    ADA4177-2Wszystkie zasilanie15?150.980.96?0.000010.0000200.001
    V+ nieobecne?14.26?1500.14?0.000020.00137?13.77?13.78
    V- nieobecne1512.960.140?0.00001?0.0003912.2612.31

    Przypadek 2: uziemione wejście
    Tabela 5 pokazuje wyniki pomiarów w sytuacji podobnej jak powyżej, ale gdy wejscie podpięte jest do potencjały masy. Warto zwrócić uwagę na znak parametru IB+ - ujemna wartość oznacza, że prąd wypływa z terminala N+. Dla IOUT ujemna wartość oznacza, że prąd wypływa z terminala -IN.
    Tabela 5. Wyniki pomiarów układów ADA4077-2 i ADA4177-2 z uziemionym wejściem.
    WarunkiV+V?ISY+ (mA)ISY? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)IN (V)OUT (V)
    ADA4077-2Wszystkie zasilanie15?151.011?0.000050.000010?0.019
    V+ nieobecne?0.846?1502.302.300?1.60?0.017?2.68
    V- nieobecne150.8471.780?1.7581.0640.122.116
    ADA4177-2Wszystkie zasilanie15?150.980.96?0.000010.0000200
    V+ nieobecne?11.99?1509.39.300?0.200?0.068?11.98
    V- nieobecne151.8481.840?1.8230.0670.0131.851

    Zanalizujmy bliżej przykład układu ADA4077-2 z nieobecnym napięciem V+ i uziemionym wejściem. W takiej sytuacji dioda ESD podciąga V+ do poziomu VIN. VIN podłączone jest do V+ poprzez diodę, przez co gdy VIN = 0 V to V+ = -0,846 V (z uwagi na spadek napięcia na tym elemencie).
    W takim układzie prąd płynie w obwodie oznaczonym na czerwono na rysunku 4. Około 0,7 mA płynie od GND (+IN) do V+. Z kolei 1,6 mA płynie od GND (+IN) poprzez wewnętrzny opornik, diodę D5 i ścieżkę sprzężenia zwrotnego pomiędzy -IN oraz OUT, a następnie wpływa do układu poprzez wyjście (OUT). Finalnie te dwa prądy łączą się spływając do zasilania - 15 V a sumaryczny prąd płynie finalnie do masy poprzez +IN.
    Rezultaty tych pomiarów są podobne dla obu układów. Warto zwrócić uwagę, że w układzuie ADA417702 D1 zrealizowana jest jako emiter bocznego tranzystora PNP. Tranzystor ten kieruje prąd przepięcia od V+ lub V-. Jak widać na schemacie ADA418802 na rysunku 4 prąd płynący od V+ do V- wynosi 9,1 mA i łączy się z prądem 0,2 mA płynącym w pętli sprzężenia zwrotnego, co daje 9,3 mA wpływającego do linii -15 V oraz takiego samego prądu wpływającego z powrotem z poziomu masy.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.4. Ścieżka przepływu prądy gdy nieobecne jest napięcie V+ a wejście jest uziemione.

    Nie obserwuje się układzie płynących nadmiernych prądów, jak widać w tabeli 5. Oznacza to, że te układy są w stanie pracować przy dowolnej kolejności załączania napięć zasilających przy wzmocnieniu równym 1 z wejściem nieodwracającyn (+IN) na poziomie masy.
    Przypadek 3: z napięciem wejściowym
    W tym eksperymencie na wejście op-ampa podawać będziemy napięcie wejściowe równe +10 V lub -10 V, zależnie od konkretnego przypadku. Tabela 6 podsumowuje wyniki. Jak widać w układzie takim nie płyną żadne nadmierne prądy, co oznacza, że badane układy mogą być w takiej sytuacji załączane w dowolny sposób.
    Prąd w tych układach płynie w podobny sposób jak w przypadku drugim z napięciem wejściowym równym 0 V, co pokazuje rysunek 5.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.5. Ścieżka przepływu prądu gdy nieobecne jest napięcie V+ a wejście jest spolaryzowane 10 V.

    Tabela 6. Wyniki pomiarów układów ADA4077-2 i ADA4177-2 z wejściem spolaryzowanym ? 10V.
    WarunkiV+V?ISY+ (mA)ISY? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)IN (V)OUT (V)
    ADA4077-2Wszystkie zasilania15?151.031.010.00098?0.00003109.97
    V+ nieobecne i dodatnie wejście9.14?1502.42.396?1.6539.997.3
    V+ nieobecne i ujemne wejście?10.83?1502.412.308?1.651?10.02?12.66
    V- nieobecne i dodatnie wejście1510.831.810?1.6891.05510.0212.09
    V- nieobecne i dodatnie wejście15?9.151.770?1.7591.031?9.99?7.88
    ADA4177-2Wszystkie zasilania15?151.021?0.00099?0.000099.999.97
    V+ nieobecne i dodatnie wejście?9.09?1508.868.866?0.1139.92?9.06
    V+ nieobecne i ujemne wejście?12.33?1504.314.18?0.039?10.02?12.32
    V- nieobecne i dodatnie wejście1511.421.330?1.20.0569.9911.43
    V- nieobecne i dodatnie wejście15?8.331.510?1.4920.062?9.97?8.32

    Przypadek 4: Z wejściem oraz różnym obciążeniem wyjściowym
    W realnym systemie op-amp zazwyczaj współpracuje z innymi elementami. Na przykład jego wyjście wykorzystane może być do sterowania jakiegoś obciążenia, albo też linia zasilania tego op-ampa zasilać może inne układy w systemie. Powodować to będzie pewne problemy. Wyniki pomiarów w tym przypadku zebrano w tabeli 7, poniżej.
    Tabela 7. Wyniki pomiarów dla ADA4077 dla obciążenia na wyjściu i pinie niedostępnego zasilania.
    ADA4077-2WarunkiIN (V)V+V?ISY+ (mA)ISY? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)OUT (V)
    V+ nieobecneVo or V+ no load/positive input9.999.14?1502.42.396?1.6537.3
    j/wVo 47 ? do GND9.988.77?1501.0030.22?6.1741.373
    j/wVo 47 ? do GND i 1 k?9.982.389?1500.766.828?2.1040.284
    j/wV+ 47 ? do GND9.598.01?151705.05175?5.06.06
    j/wV+ 47 ? do GND i 1 k?9.940.295?156.272.698.96?2.69?1.876
    j/wVo lub V+ bez obciażenia/ujemne wejście?10.02?10.83?1502.412.308?1.651?12.66
    j/wVo 47 ? do GND?9.97?3.226?15048.6?4.654.885?2.501
    j/wVo 47 ? do GND i 1 k??10.02?10.83?15014.302.284?1.629?0.563

    Aby lepiej zrozumieć co dzieje się w takiej sytuacji nasz badany op-amp obciążany jest opornikiem 47 ? wpiętym pomiędzy wyjście a masę albo takim samym opornikiem pomiędzy nieobecną linię zasilania a masę. W układzie takim pojawiają się już istotnie większe prądy, co powodować może problemy w układzie. Trzy sytuacje są tutaj szczególnie problematyczne przy braku zasilania V+:
    Sytuacja 1: Gdy napięcie wejściowe wynosi 10 V, obciążenie równe jest 47 ?. Napięcie wyjściowe wynosi 1,373 V a prąd wyjściowy 23 mA. Przepływ prądu w tym przypadku pokazano na rysunku 6.
    * Prąd wyjściowy wynoszący 30,2 mA.
    * 24 mA prądu płynącego przez D1 do linii V+ i jednocześnie 6,2 mA prądu płynącego przez D5 i pętlę sprzężenia zwrotnego do pinu OUT.
    * 24 mA prądu płynącego z V+ dzielącego się na 1 mA płynący do V- oaz 23 mA płynące do pinu OUT.
    * 29,2 mA płynące przez obciążenie do masy.
    Prądy te są stosunkowo wysokie, aby je ograniczyć doradza się wpięcie oporników 1 k? w +IN. Powoduje to ograniczenie prądu wejściowego do 6,8 mA.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.6. Przepływ prądu przez ADA4077 dla nieobecnego zasilania V+, 10 V wejścia i 47 ? obciążenia na wyjściu.

    Sytuacja 2: Gdy napięcie wejściowe wynosi 10 V, a obciążenie linii nieobecnego V+ wynosi 47 ?. W takiej sytuacji prąd płynący przez wzmacniacz i wypływający do linii V+ wynosi aż 170 mA. Tak duży prąd z pewnością uszkodzi diody zabezpieczające w układzie. Dzięki dodaniu opornika 1 k? przed pinem IN+ prąd wejściowy udało się zmniejszyć do 8,9 mA. Rysunek 7 obrazuje przepływ prądu w omawianej sytuacji.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.7. Przepływ prądu przez ADA4077 dla nieobecnego zasilania V+, 10 V wejścia i 47 ? obciążenia nieobecnej linii zasilania.

    Sytuacja 3: Gdy na wejściu jest napięcie ujemne (równe -10 V) a obciążenie wyjścia wynosi 47 ? (patrz rysunek 8). W takiej sytuacji przez układ płynie 48 mA, co spowoduje wydzielanie się sporego ciepła - 48 mA x (-2,5 V + 15 V) = 0,6 W. Oznacza to, że przy rezystancji cieplnej układu ADA4077-2 równej 158°C/W temperatura złącza wynieść ma 94,7 °C więcej niż otoczenie. Jeśli oba kanały układu będą w podobny sposób obciążone to temperatura układu przekroczyć może graniczne 150°C, co może doprowadzić do jego uszkodzenia.
    W takiej sytuacji, aby nie doprowadzić do uszkodzenia elementu, opornik ograniczający prąd dodać należy nie na wejściu, ale na wyjściu wzmacniacza.
    Analogiczna sytuacja będzie miała miejsce, jeśli obecne będzie napięcie V+, a brak będzie V-. Dodanie zewnętrznych oporników ograniczających prąd pozwoli na zapewnienie bardziej niezawodnej pracy układu.
    W przypadku drugiego z omawianych układów - ADA4177-2 - tylko sytuacja 3 ma zastosowanie. W przypadku tego wzmacniacza, pomiary wskazały, że dla sporego ujemnego napięcia na wejściu i obciażenia na wyjściu to podczas gdy podłączone jest tylko zasilanie V- przez układ płynie prąd o natężeniu 53 mA, co może być wartością zbyt dużą dla układu i doprowadzić można do jego uszkodzenia (patrz rysunek 9).
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.8. Przepływ prądu przez ADA4077 dla nieobecnego zasilania V+, -10 V wejścia i 47 ? obciążenia wyjścia.

    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.9. Przepływ prądu przez ADA4177 dla nieobecnego zasilania V+, 010 V wejścia i 47 ? obciążenia wyjścia.

    Spośród tych dwóch układów ADA4177-2 wydaje się bardziej niezawodny. Jest on preferowanym układem do aplikacji, które wymagają precyzji jak i niezawodności oraz odporności np. na tego typu sytuacje.
    Tabela 8. Wyniki pomiarów napięć i prądów dla wzmacniacza ADA4177.
    ADA4177-2WarunkiIN (V)V+V?ISY+ (mA)ISY? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)OUT (V)
    V+ absentVo lub V+ pływa, a wejście jest ujemne?10.02?12.33?1504.314.18?0.039?12.32
    j/wVo 47 ? do GND?9.97?3.218?15051.53?2.4732.632?2.543
    j.wVo 47 ? do GND i 1 k??10?10.4?1509.10?0.0030.147?0.428

    Inne zjawiska związane z Op-Ampami podczas załączania zasilania
    Różne op-ampy posiadają różnie zaimplementowane układy diod, rezystorów czy układów ochrony przeciwprzepięciowej (OVP). Niektóre z nich pozbawione są modułów OVP, inne z kolei nie mają wszystkich diod ESD etc. Różna implementacja tych rozwiązań wpływa na różną pracę układów podczas załączania zasilania w takiej czy innej kolejności.
    Na przykład wzmacniacz operacyjny ADA4084-2 pozbawiony jest wewnętrznych oporników ograniczających prąd i modułów OVP, ale posiada komplet diod ESD. W tabeli 9 oraz na rysunku 10 zaprezentowani wyniki działania układu gdy nie podłączone jest napięcie V+ a na wejściu układu występuje napięcie 10 V. Zachowanie układu i ścieżki przepływu prądu są podobne, ale z uwagi na brak oporników ograniczających prąd przez układ płynąć będzie aż 60 mA, co może doprowadzić do jego uszkodzenia.
    Poprawne i niepoprawne sekwencje załączania zasilania op-ampów na przykładach
    Rys.10. Przepływ prądu przez układ ADA4084 gdy V+ jest nieobecne a wejście spolaryzowane jest 10 V.,

    Tabela 9.
    WarunkiV+V?I+ (mA)I? (mA)IB+ (mA)IOUT (mA)IN (V)OUT (V)
    Wszystkie zasilania15?151.381.37?0.001?0.0001109.98
    V+ nieobecne i wejście dodatnie8.71?15060.160.102?51.899.567.99

    To jak realnie działać będzie nasz op-amp zależy tak na prawdę od wielu czynników, takich jak topologia układu, aplikacja, obciążenia i zachowanie innych układów połączonych z tym wzmacniaczem. Jeśli jedna z linii zasilania może być chwilowo nie obecna w układzie koniecznie należy zbadać związane z tym ryzyka i zagrożenia dla elementów. W powyższym artykule przedstawiono metodologię oraz sposób prowadzenia pomiarów, a także sposoby na analizowanie kierunków przewodzenia prądu w układzie i ewaluacji poziomu ryzyka uszkodzenia danego elementu.
    Podsumowanie
    Aby uniknąć rozmaitych zagrożeń związanych z niejednoczesnym załączaniem zasilania należy projektując układ pamiętać o szeregu istotnych czynników:
    * Podczas załączania układu najpierw włączać systemy zasilanie a dopiero potem podawać na wejście sygnał.
    * Podczas wyłączania układu najpierw należy odłączyć sygnał wejściowy a dopiero potem wyłączyć zasilanie.
    W realnych układach te zasady mogą być trudne do realizacji, co powodować może pewne problemy. Jednakże świadomość możliwości występowania tego rodzaju sytuacji pozwoli na poprawną ocenę ryzyka uszkodzenia układu w takim przypadku lub też pozwoli szybciej odnaleźć problem podczas debugowania projektu.
    Dodatkowo, dobrym nawykiem jest ograniczanie prądu pracy op-ampa do wartości zapisanych w karcie katalogowej danego elementu. Dodawanie rezystorów ograniczających prąd na wejściu i wyjściu układu może pozwolić na uniknięcie wielu problemów związanych z omawianymi powyżej zjawiskami.
    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/improper-power-sequencing-in-op-amps-analyzing-the-risks.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11106 posts with rating 9414, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • e-mierniki