Разработчикам цифровой электроники давно известно, что незадействованные входы не следует оставлять неподключенными. Потенциалы входов КМОП микросхем могут «всплыть» до некоторого среднего уровня, и включить выходной каскад, но на потребление тока это будет иметь минимальное влияние.
Реальная проблема заключается в том, что, переключившись, выход из-за связи с плавающим входом может переключить вход в другом направлении. Это приведет к генерации, что значительно увеличит потребление энергии и создаст источник нежелательных помех.
Логические входы ТТЛ не должны были подключаться непосредственно к шине питания — их нужно было подтягивать резисторами, чтобы ограничить входные токи. Многие из нас «мошенничали» и просто пригвождали входы к VCc- Это объяснимо: посмотрев на эквивалентную схему логического чипа, вы могли сделать вывод, что это сойдет вам с рук.
Не делайте этого
Привычка подключать входы к источнику питания или земле создавала у некоторых инженеров ощущение, что этот способ подойдет и для борьбы с незадействованными входами операционного усилителя (Рисунок 1). Это серьезная ошибка. Соединение обоих входов операционного усилителя просто означает, что выход будет принудительно жестко смещен напряжением смещения к положительной или отрицательной шине питания. Полярность напряжения смещения будет определяться конкретным компонентом, независимо от того, к какой шине привязаны входы.
При жестком управлении выходом отсутствует обратная связь, которая «замыкает контур регулирования» и прекращает подачу управляющего тока на выходные транзисторы. Большинство биполярных операционных усилителей имеют схемы ограничения базового тока, которые не позволяют сжечь микросхему. КМОП-усилители также будут потреблять больше тока при жестком смещении выхода, и никогда не стоит допускать насыщения внутренних транзисторов интегральной схемы.
Правильнее всего будет подключить усилитель как повторитель напряжения с выводом «-», соединенным с выходом (Рисунок 2). Но вы не всегда можете просто подключить «+» к шине питания — это может создать ту же проблему. Следует убедиться, что положительный вход подключен к напряжению, не превышающему допустимого значения синфазного входного напряжения. И даже этого может быть недостаточно, если вы плохо представляете себе устройство входной секции усилителя.
Наблюдения Боба Пиза
Эта проблема неподключенных входов еще в 2007 году была предметом обсуждения между аналоговым гуру Бобом Пизом (Bob Pease) и Деннисом Монтичелли (Dennis Monticelli), занимавшим в то время пост технического директора National Semiconductor. Монтичелли отметил:
«Проблема возникает, когда два входа соединены между собой, а затем куда-то подключены, например, к земле. Тогда состояние выхода становится неопределенным».
Пиз отвечал:
«Ну, мы согласны с тем, что это почти никогда не может быть правильным решением для незадействованных входов. При каком-то знаке напряжения смещения выход мог бы вести себя странно. А если бы напряжения смещения имело другой знак, измерения могли бы показать, что на первый взгляд все нормально, но другой компонент в таких же условиях может испортиться и перегреться. Правильно?»
Монтичелли прокомментировал:
«Раньше было обычной практикой включать незадействованный операционный усилитель повторителем с неинвертирующим входом, соединенным с любым подходящим напряжением смещения системы, которое оказывается в пределах допустимого синфазного диапазона усилителя».
Пиз ответил:
«Да, но если диапазон синфазных напряжений включает землю или минус питания, и вы закорачиваете вход «+» на эту шину, то ток, потребляемый по питанию некоторыми усилителями, и разогрев все же могут вывести их из строя».
Монтичелли подумал:
«Нет, если вы включаете его повторителем и сохраняете напряжения входов в разрешенном диапазоне синфазных напряжений».
На это Пиз сказал:
«У National Semiconductor есть, по крайней мере, один счетверенный операционный усилитель, который, если вы включите его повторителем и соедините вход «+» с минусовой шиной питания (даже если ее напряжение находится в пределах допустимого диапазона), забирает много мощности и ему становится жарко. Я должен спросить Пола Рако, что это такое. Услышав об этом, он был удивлен. Мы сошлись на том, что это ошибка. Может быть, мы разберемся, что надо делать, чтобы он не перегревался и не сажал батарею».
История странной микросхемы
Если я правильно помню, это была микросхема LM6584. Она не создавалась как операционный усилитель общего назначения. Это должен был быть драйвер VCOM -усилитель, который удерживает потенциал общего вывода ЖК-панели на уровне середины напряжения питания; для 12-вольтовых панелей это 6 В. Драйверы строк и столбцов управляли пикселями ЖК-дисплея с помощью переменного напряжения, изменяющегося между О В и 12 В.
Просто использовать 6-вольтовый источник питания нельзя, поскольку для того чтобы ЖК-дисплей мог обновляться с частотой 60 Гц или быстрее, вывод VCOM должен иметь необычайно высокую скорость реакции на переходные процессы. Благодаря очень высоким скоростям нарастания усилителей драйвера VCOM они способны формировать мощные импульсы тока, необходимые для того, чтобы преодолеть емкостные связи между выводами пикселей панели и большим общим выводом.
Когда я включил микросхему повторителем и подключил вход «+» к земле, ее ток начал увеличиваться. Если таким образом подключить все четыре усилителя этой счетверенной микросхемы, чип сгорит. Дело в том, что этот компонент никогда не предназначался для использования в качестве операционного усилителя общего назначения, поэтому в ранней документации я ясно дал понять, что это был не счетверенный операционный усилитель.
Но у маркетологов свои задачи, и как здорово сказать, что их группа выпустила новый операционный усилитель, а не просто специализированную микросхему для ЖК-панели. И, конечно же, произошло то, о чем предупреждали мы с Пизом, и через год или два в заголовке технического описания было сказано, что это операционный усилитель.
Когда я спросил разработчика микросхемы, почему она потребляет такой большой ток при подключении вывода «+» к шине, он сказал:
«Я убрал ограничительные цепи из баз». Когда я спросил, почему, он ответил: «Потому что с ними микросхема самовозбуждалась».
Теперь, прежде чем критиковать его, поймите, что ему поручали проектировать не операционный усилитель общего назначения, а драйвер VCOM для ЖК-панели. В корпусе этой микросхемы никогда не было незадействованных элементов, и такое никогда не могло случиться.
Как специалист по приложениям, который знает, что эта микросхема может быть продана в качестве операционного усилителя, я включил в техническое описание обязательное предостережение:
«Следует отметить, что если выходы подключены к шине, и микросхема больше не может поддерживать контур обратной связи замкнутым, внутренние цепи будут выдавать большие базовые токи в огромные выходные транзисторы, пытаясь заставить выходы пройти напряжение насыщения.
Базовые токи приблизятся к 16 миллиамперам, и это будет выглядеть как увеличение тока, потребляемого от источника питания. Длительная работа при таком уровне рассеиваемой мощности может повредить микросхему, особенно в корпусе TSSOP с более высоким тепловым сопротивлением. Из-за этого явления входы неиспользуемых усилителей не должны иметь привязки к какой-либо шине, а должны быть подключены к средней точке питания или, по крайней мере, смещены относительно шин питания на величину прямого падения на диоде (0.6 В)».
Предостережения относительно rail-to-rail
Даже усилители с входами rail-to-rail могут потреблять избыточный ток при подключении входа «+» к одной из шин питания. Таким образом, как отметил Пиз, даже в тех случаях, когда вы включаете такой усилитель повторителем напряжения, лучше всего поставить делитель из двух резисторов и подключить вывод «+» к его средней точке, чтобы гарантировать, что входное напряжение находится в середине допустимого синфазного диапазона, и операционный усилитель может замкнуть петлю обратной связи для повторителя напряжения (Рисунок 3).
Если ради того, чтобы сэкономить на цене или рассеиваемой мощности двух резисторов, вы хотите подключить вход «+» к шине питания, вы должны по настоящему понимать устройство входного каскада усилителя. Монтичелли заметил:
«Неужели наши клиенты забыли эту стандартную практику? Или мы забыли научить их?» На что Пиз ответил: «Да, и еще раз да. Мы должны были приложить немного усилий, чтобы научить их, но мы этого не сделали».
Теперь, если вы можете удостовериться, что дифференциальная пара входов благополучно находится в своем рабочем диапазоне, может быть, вам и сойдет с рук прибивание гвоздем положительного входа к шине, но лучше убедитесь сначала, что специфицированное входное смещение позволяет синфазному напряжению всегда находиться в пределах допустимого диапазона.
Пиз сказал:
«Если только вам случайно не повезет, ничто из сказанного не будет обязательным условием самого низкого потребления энергии. В этом отношении намного проще было со старым LM324. С биполярными транзисторами вообще все проще, верно? Верно, но не всегда».
У меня были ситуации, когда место или бюджет не позволяли добавить делитель напряжения для незадействованных входов. В таких случаях я пытался где-то в схеме найти напряжение или сигнал, которые никогда не подходят слишком близко к шинам питания, а затем просто привязывал к этому месту вход «+». Часто было проще всего соединить этот вход с другим входом в том же корпусе. Выход будет плавать, но, будучи неподключенным к нагрузке, он будет минимально влиять на энергопотребление.
Добавьте контактные площадки и переходные отверстия
Когда дело доходит до незадействованных усилителей, всегда обязательно показывайте их на своей схеме. Кроме того, обязательно добавьте несколько контактных площадок или переходных отверстий к входам и выходам, чтобы их можно было подключить к схеме, если вам понадобится какой-либо дополнительный усилитель (Рисунок4).
Вот почему не следует прокладывать проводники повторителя напряжения между минусом и выходом под корпусом микросхемы. Это затруднит перерезание проводника, если вам потребуется задействовать еще один усилитель. Были случаи, когда мне требовалось инвертированный цифровой сигнал. Использование запасного операционного усилителя в качестве инвертора позволяло решить задачу, по крайней мере, до выпуска следующей версии печатной платы.