電路功能與優勢

　　采用遠程信號源時，發生損害故障的可能性更大。可能因系統電源時序控制設計不當或系統要求熱插拔而導致過壓。若未采取保護措施，因連接欠佳或感性耦合導致的瞬變電壓可能會損壞元件。另外，在電源發生故障或者開關輸入仍然連接至模擬信號而電源連接丟失時，也可能出現故障。這些故障條件可能造成重大損壞，結果可能意味著高昂的維修成本。

　　圖1所示電路利用一個帶斷電保護的低導通電阻、四通道單刀單擲開關 ADG4612 ，為數據采集信號鏈提供保護。該數據采集系統包括低成本、精密JFET輸入運算放大器ADA4000-1 ，后接一個低功耗、12位、1 MSPS SAR ADCAD7476 。該ADG4612可在仍然存在輸入信號時，提供低成本的功率損耗保護和最高16V的過壓故障保護。ADG4612采用3 mm × 3 mm LFCSP和16引腳TSSOP兩種封裝，需要增加的額外電路板面積很小。ADG4612可在不增加任何分離器件的條件下，為四個獨立的數據采集通道提供保護。

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　　圖1.提供故障保護的數據采集信號鏈電路(簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　圖1所示為一種單通道、提供故障保護的數據采集信號鏈，由ADG4612、ADA4000-1和AD7476構成。能否保護數據采集板關鍵在于ADG4612的保護功能。無電源時，即當VDD 浮空或 VDD ≤ 1 V 時，或者當輸入信號VS 或 VD大于電源VDD 與閾值電壓(VT)之和時，開關處于隔離模式。此類條件下，開關輸入為高阻抗輸入，以確保不存在可能損壞開關或下游電路的電流。負供電軌VSS可為浮空或0 V至?5.5 V。接地引腳必須連接至地電位。 下游元件(如ADA4000-1或AD7476)的輸入應限制在供電軌之內，以便在電源丟失或輸入信號超過供電軌時阻止這些信號。

　　在斷開條件下，最高+16V的輸入信號電平被阻止(假設VSS = 0 V)。當模擬輸入信號電平超過VDD達閾值電壓VT (~1.2 V)時，開關也會斷開。

　　對于標準CMOS模擬開關，其額定電源要求請參考產品數據手冊，并應嚴格遵守，以確保器件保持最佳性能和運行狀態。然而，由于電源故障、電壓瞬變、時序控制不當、系統故障或用戶故障等原因，不可能始終達到數據手冊的要求。

　　標準CMOS開關的信號源、漏極和邏輯引腳均以電源箝位二極管的形式提供了ESD保護，如圖2所示。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過一般都采用小型設計，以盡量減少泄漏電流。正常運行中，這些二極管均為反向偏置，不會通過電流。正向偏置時，其額定規格要求通過的電流不能大于幾mA，否則可能會損壞器件。每當模擬開關輸入電壓超過電源時，這些二極管將轉為正向偏置，可能通過較大電流，這樣即使關閉電源，開關也可能損壞。另外，故障導致的損壞并不限于開關，而且也可能影響到下游電路，如ADA4000-1，因為將信號施加于未供電的ADA4000-1超出了該器件的絕對最大額定值。

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　　圖2. 標準模擬CMOS開關上的ESD保護

　　圖3所示為標準模擬開關在施加信號而電源浮空時的性能波形。直流偏置為+3 V的6 V p-p 正弦波施加于模擬輸入，后者通過內部ESD二極管，將電源供給開關以及連接至同一VDD 電源的任何其他元件。輸入信號通過開關，出現在ADA4000-1的輸入端，因而超過ADA4000-1的最大額定值。

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　　圖3.無電源的標準模擬開關

　　標準CMOS開關還存在另一限制因素，即模擬信號超過電源 VDD 和 VSS時，電源被拉至故障信號的二極管壓降范圍內。內部二極管轉為正向偏置，電流從輸入信號流至電源。故障信號也可能通過開關并損壞下游器件，如圖4所示。

　　如果超過器件的絕對最大額定值，可能會影響長期可靠性。

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　　圖4.過壓條件下的標準模擬開關

　　ADG4612可以消除上述故障影響，它在模擬或數字輸入到 VDD 或 VSS之間未采用內部ESD二極管。相反，ADG4612利用其他保護元件來避免ESD事件。這就意味著，在功率損耗條件下或發生過壓故障時，不存在至電源的低阻抗路徑。如果ADG4612輸入在有電源之前存在信號，開關將進入隔離模式，即輸入端具有至VDD、GND和輸出的高阻抗路徑。這樣可防止電流流動，從而有效保護器件和下游電路免受損壞。

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　　圖5.無電源的ADG4612

　　圖6顯示了模擬輸入端過壓故障導致的結果。此時，直流偏置為+3 V的6 V p-p正弦波施加于ADG4612，后者采用±3.3 V電源供電。當模擬輸入超過VDD 達閾值電壓VT (~1.2 V)時，開關進入隔離模式，從而避免故障對下游電路造成損壞。

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　　圖6. ADG4612上的過壓條件

　　如圖1所示，ADG4612、ADA4000-1和AD7476三者相結合提供一種穩定的數據采集電路，可有效應付各種故障條件，如仍然存在來自外部的信號時發生的功率損耗故障或者模擬輸入端的過壓故障等。

　　請注意，AD7476的輸入范圍等于VDD，后者同時充當該ADC的基準電壓源。此時，輸入范圍為0 V至+3.3 V。為了在該范圍內線性驅動AD7476，ADA4000-1的電源電壓必須稍高，以便為輸出級留出充足的裕量(相對于正電源約為1.2 V，相對于負電源約為2 V)。其實現方法是將ADA4000-1的正電源電壓設為+5 V，負電源電壓設為?3.3 V。連接至AD7476輸入的兩個外部肖特基二極管可確保電源時序控制不出問題。

　　ADG4613同時支持SPST以外的配置;該器件有兩個開關的數字控制邏輯與ADG4612相似，但其他兩個開關的控制邏輯則相反。當接通時，各開關在兩個方向的導電性能相同，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍。ADG4613為先開后合式開關，適合多路復用器應用。該器件可配置為四通道單刀單擲、雙通道單刀雙擲或4:1的多路復用器，以適應不同的應用。

　　為了使本文所討論的電路達到理想的性能，必須采用出色的布局、接地和去耦技術.至少應采用四層PCB：一層為接地層，一層為電源層，另兩層為信號層。

　　常見變化

　　圖7所示為圖1中電路的一種變化形式，以+ 3.3 V單電源供電。在該應用中，要求用一個具有軌到軌輸入和輸出的運算放大器為AD7476提供全輸入范圍驅動。AD8655 運算放大器的輸出額定驅動電壓在各供電軌的10 mV至30 mV之內。換言之，在線性度受到不利影響的滿量程ADC范圍的各端存在小比例的死區編碼。

　　對于30 mV的裕量要求，該比例約為3.3V輸入范圍的1%。有關運算放大器軌到軌問題以及過壓保護的詳細討論，請參看MT-035 和 MT-036 兩個教程。

　　另外注意，ADG4612在該電路中的VSS 為 0 V，但仍然可在整個輸入信號范圍內維持良好的導通電阻平坦度。

　　AD8656 是AD8655的雙通道版本。ADA4000-2和ADA4000-4 分別為ADA4000-1的雙通道和四通道版本。

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　　圖7.單電源、提供故障保護的數據采集信號鏈電路(簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦)