關于ADC 輸入緩沖器和保護技術分析

本應用筆記介紹了專為最大化和可靠數據采集而設計的模數轉換器輸入緩沖器和保護技術。該文檔還簡要介紹了 SCR 閂鎖，即創建低阻抗路徑，以及不同的輸入保護技術，以確保 ADC 輸入電壓不超過轉換器的電源電壓。

ADC 輸入緩沖器和保護電路的設計對于優化和可靠的數據采集系統至關重要。Crystal Semiconductor 應用筆記“ADC 輸入緩沖器”很好地涵蓋了這一領域，系統設計人員應查看此信息。自從“ADC 輸入緩沖器”出版以來，有很多關于 ADC 輸入保護的附加信息和電路的請求。本應用筆記介紹了適用于 CS5336 系列轉換器的緩沖器/保護電路。所描述的技術同樣適用于晶體模??數轉換器的其他系列。

可控硅閂鎖

SCR閂鎖被定義為“通過觸發CMOS輸入和輸出電路中固有的寄生四層雙極結構（SCR）來在電源軌之間創建低阻抗路徑”。這是一種自我維持狀態，一旦鎖存，CMOS 器件將保持這種狀態，而不管 I/O 引腳電壓如何，直到電源電壓被移除。閂鎖期間的過度功耗也可能損壞器件。強制電流進入 CMOS 器件的輸入或輸出通常會通過施加高于電源軌的電壓而導致閂鎖。通電后，由于啟動鎖存器所需的電流量很大，Crystal Semiconductor ADC 對鎖存器具有極強的免疫力。如果在上電期間施加大于瞬時電源電壓的輸入電壓，就會出現問題。當電源電壓超過絕對最大指定值時，會出現一種不太常見但同樣具有破壞性的 SCR 情況。設計人員可以使用多種保護技術，每種技術都有自己的優點和缺點。

保護技術

輸入保護的目標是保證 ADC 輸入電壓永遠不會超過轉換器的電源電壓。這是通過“外部”世界和 ADC 輸入之間的運算放大器緩沖器實現的，然后將 ADC 輸入電壓偏移限制在轉換器電源電壓的范圍內。

方法一

有許多高質量的運算放大器可供設計工程師用作輸入緩沖器，其中大部分都設計為在大于 +/- 5 V 的電源下工作。使用所需的多個電源存在潛在問題。在信號幅度偏移，瞬態上電條件或運算放大器故障期間，ADC模擬輸入可能會承受比ADC電源更大的電壓。有多種方法可用于鉗位 ADC 輸入電壓。圖 1 顯示了使用多個電源的二極管鉗位輸入緩沖器電路。為 CR1-CR4 選擇的二極管類型至關重要，必須使用以下標準進行評估。
1.正偏電壓特性。肖特基二極管因其低正向偏置電壓特性而成為首選。
2. 反向偏置漏電流。電壓相關漏電流的影響與電路阻抗成正比，并可能導致失真。漏電流也會隨溫度變化，必須在預期的工作溫度范圍內進行評估。
3. 反向偏置電容。電壓相關的結電容會導致失真，并且與電路元件值相比必須是微不足道的。

方法二

輸入保護的目標也可以通過使用與轉換器相同的電源為輸入緩沖器供電來實現，如圖 4 所示。該電路需要比圖 1 電路更少的組件，并且使用通用電源可確保操作放大器輸出不會超過 ADC 電源電壓。但是，為 CS5336 實現滿量程數字輸出所需的模擬電壓通常為 +/- 3.68 V，并且大多數運算放大器不具備 +/- 5 V 電源的這種輸出能力。