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.
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 2 zaprezentowana poniżej podsumowuje różne sytuacje podczas sekwencyjnego załączania poszczególnych napięć w układzie.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Rys.8. Przepływ prądu przez ADA4077 dla nieobecnego zasilania V+, -10 V wejścia i 47 ? obciążenia wyjścia.
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.
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.
Rys.10. Przepływ prądu przez układ ADA4084 gdy V+ jest nieobecne a wejście spolaryzowane jest 10 V.,
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
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.
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: OUTA | Pin2: ?INA | Pin3: +INA | Pin4: V? | Pin5: +INB | Pin6: ?INB | Pin7: OUTB | Pin8: 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.
| Wejście | V+ | V- | Wzmacniacz zasilony przy obciążeniu | Wyjście wzmacniacza z obciążeniem | Przypadek 1 | Pływające | Obecne | Nieobecne | Nie | Nie | Przypadek 1 | Pływające | Nieobecne | Obecne | Nie | Nie | Przypadek 2 | 0 V | Obecne | Nieobecne | Nie | Nie | Przypadek 2 | 0 V | Nieobecne | Obecne | Nie | Nie | Przypadek 3 | Dodanie bądź ujemne | Obecne | Nieobecne | Nie | Nie | Przypadek 3 | Dodanie bądź ujemne | Nieobecne | Obecne | Nie | Nie | Przypadek 4 | Dodanie bądź ujemne | Obecne | Nieobecne | Tak | Nie | Przypadek 4 | Dodanie bądź ujemne | Obecne | Nieobecne | Nie | Tak | Przypadek 4 | Dodanie bądź ujemne | Nieobecne | Obecne | Tak | Nie | Przypadek 4 | Dodanie bądź ujemne | Nieobecne | Obecne | Nie | Tak |
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.
Tabela 3. Spadki napięcia na wewnętrznych diodach przykładowych op-ampów.
| ADA4077 | ADA4177 | D1 | 0.838 | Nieznana | D2 | 0.845 | Nieznana | D3 | 0.837 | Nieznana | D4 | 0.844 | Nieznana | D5 | Nieznana | Nieznana | D6 | Nieznana | Nieznana | D7 | 0.841 | 0.849 | D8 | 0.842 | 0.849 |
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.
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.
| Warunki | V+ | V? | ISY+ (mA) | ISY? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | IN (V) | OUT (V) | ADA4077-2 | Wszystkie zasilanie | 15 | ?15 | 1.02 | 1.01 | ?0.00005 | 0.00007 | 0.001 | ?0.008 | V+ nieobecne | ?13.1 | ?15 | 0 | 0.12 | ?0.00001 | 0.001 | ?13.73 | ?14.42 | V- nieobecne | 15 | 13.06 | 0.15 | 0 | ?0.00001 | 0.001 | 12.93 | 13.62 | ADA4177-2 | Wszystkie zasilanie | 15 | ?15 | 0.98 | 0.96 | ?0.00001 | 0.00002 | 0 | 0.001 | V+ nieobecne | ?14.26 | ?15 | 0 | 0.14 | ?0.00002 | 0.00137 | ?13.77 | ?13.78 | V- nieobecne | 15 | 12.96 | 0.14 | 0 | ?0.00001 | ?0.00039 | 12.26 | 12.31 |
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.
| Warunki | V+ | V? | ISY+ (mA) | ISY? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | IN (V) | OUT (V) | ADA4077-2 | Wszystkie zasilanie | 15 | ?15 | 1.01 | 1 | ?0.00005 | 0.00001 | 0 | ?0.019 | V+ nieobecne | ?0.846 | ?15 | 0 | 2.30 | 2.300 | ?1.60 | ?0.017 | ?2.68 | V- nieobecne | 15 | 0.847 | 1.78 | 0 | ?1.758 | 1.064 | 0.12 | 2.116 | ADA4177-2 | Wszystkie zasilanie | 15 | ?15 | 0.98 | 0.96 | ?0.00001 | 0.00002 | 0 | 0 | V+ nieobecne | ?11.99 | ?15 | 0 | 9.3 | 9.300 | ?0.200 | ?0.068 | ?11.98 | V- nieobecne | 15 | 1.848 | 1.84 | 0 | ?1.823 | 0.067 | 0.013 | 1.851 |
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.
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.
Tabela 6. Wyniki pomiarów układów ADA4077-2 i ADA4177-2 z wejściem spolaryzowanym ? 10V.
| Warunki | V+ | V? | ISY+ (mA) | ISY? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | IN (V) | OUT (V) | ADA4077-2 | Wszystkie zasilania | 15 | ?15 | 1.03 | 1.01 | 0.00098 | ?0.00003 | 10 | 9.97 | V+ nieobecne i dodatnie wejście | 9.14 | ?15 | 0 | 2.4 | 2.396 | ?1.653 | 9.99 | 7.3 | V+ nieobecne i ujemne wejście | ?10.83 | ?15 | 0 | 2.41 | 2.308 | ?1.651 | ?10.02 | ?12.66 | V- nieobecne i dodatnie wejście | 15 | 10.83 | 1.81 | 0 | ?1.689 | 1.055 | 10.02 | 12.09 | V- nieobecne i dodatnie wejście | 15 | ?9.15 | 1.77 | 0 | ?1.759 | 1.031 | ?9.99 | ?7.88 | ADA4177-2 | Wszystkie zasilania | 15 | ?15 | 1.02 | 1 | ?0.00099 | ?0.00009 | 9.99 | 9.97 | V+ nieobecne i dodatnie wejście | ?9.09 | ?15 | 0 | 8.86 | 8.866 | ?0.113 | 9.92 | ?9.06 | V+ nieobecne i ujemne wejście | ?12.33 | ?15 | 0 | 4.31 | 4.18 | ?0.039 | ?10.02 | ?12.32 | V- nieobecne i dodatnie wejście | 15 | 11.42 | 1.33 | 0 | ?1.2 | 0.056 | 9.99 | 11.43 | V- nieobecne i dodatnie wejście | 15 | ?8.33 | 1.51 | 0 | ?1.492 | 0.062 | ?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.
| ADA4077-2 | Warunki | IN (V) | V+ | V? | ISY+ (mA) | ISY? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | OUT (V) | V+ nieobecne | Vo or V+ no load/positive input | 9.99 | 9.14 | ?15 | 0 | 2.4 | 2.396 | ?1.653 | 7.3 | j/w | Vo 47 ? do GND | 9.98 | 8.77 | ?15 | 0 | 1.00 | 30.22 | ?6.174 | 1.373 | j/w | Vo 47 ? do GND i 1 k? | 9.98 | 2.389 | ?15 | 0 | 0.76 | 6.828 | ?2.104 | 0.284 | j/w | V+ 47 ? do GND | 9.59 | 8.01 | ?15 | 170 | 5.05 | 175 | ?5.0 | 6.06 | j/w | V+ 47 ? do GND i 1 k? | 9.94 | 0.295 | ?15 | 6.27 | 2.69 | 8.96 | ?2.69 | ?1.876 | j/w | Vo lub V+ bez obciażenia/ujemne wejście | ?10.02 | ?10.83 | ?15 | 0 | 2.41 | 2.308 | ?1.651 | ?12.66 | j/w | Vo 47 ? do GND | ?9.97 | ?3.226 | ?15 | 0 | 48.6 | ?4.65 | 4.885 | ?2.501 | j/w | Vo 47 ? do GND i 1 k? | ?10.02 | ?10.83 | ?15 | 0 | 14.30 | 2.284 | ?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.
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.
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).
Rys.8. Przepływ prądu przez ADA4077 dla nieobecnego zasilania V+, -10 V wejścia i 47 ? obciążenia wyjścia.
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.
| ADA4177-2 | Warunki | IN (V) | V+ | V? | ISY+ (mA) | ISY? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | OUT (V) | V+ absent | Vo lub V+ pływa, a wejście jest ujemne | ?10.02 | ?12.33 | ?15 | 0 | 4.31 | 4.18 | ?0.039 | ?12.32 | j/w | Vo 47 ? do GND | ?9.97 | ?3.218 | ?15 | 0 | 51.53 | ?2.473 | 2.632 | ?2.543 | j.w | Vo 47 ? do GND i 1 k? | ?10 | ?10.4 | ?15 | 0 | 9.10 | ?0.003 | 0.147 | ?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.
Rys.10. Przepływ prądu przez układ ADA4084 gdy V+ jest nieobecne a wejście spolaryzowane jest 10 V.,
Tabela 9.
| Warunki | V+ | V? | I+ (mA) | I? (mA) | IB+ (mA) | IOUT (mA) | IN (V) | OUT (V) | Wszystkie zasilania | 15 | ?15 | 1.38 | 1.37 | ?0.001 | ?0.0001 | 10 | 9.98 | V+ nieobecne i wejście dodatnie | 8.71 | ?15 | 0 | 60.1 | 60.102 | ?51.89 | 9.56 | 7.99 |
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
Fajne? Ranking DIY
