設(shè)計(jì)ADC電路時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)常見問題是如何保護(hù)ADC輸入免受過壓影響。ADC輸入的保護(hù)有許多場(chǎng)景和潛在的解決方案。所有供應(yīng)商的ADC在這方面都有類似的需求。本文深入探討了過壓情況下可能出現(xiàn)的問題、過壓的發(fā)生方式以及可能的補(bǔ)救措施。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)放大器的供電軌明顯大于ADC的最大輸入范圍時(shí)，通常會(huì)發(fā)生ADC輸入的過驅(qū)，例如，如果放大器工作電壓為±15 V，ADC輸入為0 V至5 V。這在工業(yè)設(shè)計(jì)中尤其常見，其中高壓軌用于接受±10 V輸入，并在ADC之前接受電源信號(hào)調(diào)理/驅(qū)動(dòng)器級(jí)，例如PLC模塊。如果發(fā)生故障，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)放大器電源軌變大，則可能會(huì)因超過其最大額定值而損壞ADC，或干擾多ADC系統(tǒng)中的同步/后續(xù)轉(zhuǎn)換。本文將重點(diǎn)介紹如何保護(hù)AD798x系列等精密SAR ADC，但它也可以應(yīng)用于其他ADC類型。

讓我們考慮圖 1 中的場(chǎng)景。

圖1.精密ADC設(shè)計(jì)的典型電路圖。

該電路代表了我們?cè)贏D798x（例如AD7980）系列PulSAR ADC中看到的情況。輸入、基準(zhǔn)和接地之間有保護(hù)二極管。這些二極管能夠處理高達(dá) 130 mA 的高電流，但只能持續(xù)幾毫秒，不能處理更長(zhǎng)的時(shí)間或重復(fù)的過壓。在某些產(chǎn)品上，如AD768x/AD769x（例如AD7685、AD7691）系列器件，保護(hù)二極管與V級(jí)相同。?DD鉛而不是參考。在這些部件上，VDD電壓始終大于或等于 REF。一般來說，這比 V 效果更好DD是一種較硬的夾緊導(dǎo)軌，對(duì)干擾不敏感。

在圖1中，如果放大器的電源軌朝+15 V電源軌方向移動(dòng)，REF保護(hù)二極管將導(dǎo)通，放大器將嘗試向上拖動(dòng)REF節(jié)點(diǎn)。如果REF節(jié)點(diǎn)不是由強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，則REF節(jié)點(diǎn)（和輸入）的電壓將上升到絕對(duì)最大額定電壓以上，如果電壓超過該過程中器件的擊穿電壓，ADC可能會(huì)損壞。有關(guān)ADC驅(qū)動(dòng)器軌朝8 V并過驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓（5 V）的示例，請(qǐng)參見圖3。許多精密基準(zhǔn)電壓源沒有灌電流能力，這在這種情況下是一個(gè)問題。或者，基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路可能足夠強(qiáng)大，使基準(zhǔn)電壓源接近其標(biāo)稱值，但仍會(huì)受到其精確值的干擾。

在共享一個(gè)基準(zhǔn)電壓源的同步采樣多ADC系統(tǒng)中，其他ADC上的轉(zhuǎn)換將不準(zhǔn)確，因?yàn)橄到y(tǒng)依賴于高精度基準(zhǔn)電壓。如果從故障條件恢復(fù)的時(shí)間很長(zhǎng)，則后續(xù)轉(zhuǎn)換也可能不準(zhǔn)確。

有幾種不同的方法可用于緩解此問題。最常見的是使用肖特基二極管（BAT54系列）將放大器的輸出箝位到ADC的范圍。有關(guān)說明，請(qǐng)參見圖 2 和圖 3。如果適合應(yīng)用需求，也可以使用二極管將輸入箝位到放大器。

圖2.添加了肖特基二極管和齊納二極管保護(hù)的精密ADC設(shè)計(jì)的典型電路圖。

圖3.黃色 = ADC 輸入，紫色 = 基準(zhǔn)電壓源。左邊沒有肖特基二極管，右邊是肖特基二極管。

在這種情況下，選擇肖特基二極管是因?yàn)槠涞驼驂航担沟盟鼈冊(cè)贏DC中的內(nèi)部保護(hù)二極管之前導(dǎo)通。肖特基二極管之后的串聯(lián)電阻也有助于在內(nèi)部二極管略微導(dǎo)通時(shí)限制進(jìn)入ADC的電流。為了提供額外的保護(hù)，如果基準(zhǔn)電壓源幾乎沒有灌電流能力，則可以在基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)上使用齊納二極管或箝位電路，以確保基準(zhǔn)電壓不會(huì)拉得太高。在圖2中，5.6 V齊納二極管用于5 V基準(zhǔn)電壓源。

圖4顯示了用正弦波過驅(qū)動(dòng)ADC輸入時(shí)，在ADC輸入中添加肖特基二極管對(duì)基準(zhǔn)輸入（5 V）的影響。肖特基二極管接地，5 V系統(tǒng)電源軌能夠吸收電流。如果沒有肖特基二極管，當(dāng)輸入超過基準(zhǔn)電壓源并接地時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源擾動(dòng)。可以看出，使用肖特基二極管可以完全消除基準(zhǔn)干擾。

圖4.黃色 = ADC 輸入，綠色 = ADC 驅(qū)動(dòng)器輸入，紫色 = 基準(zhǔn)電壓源（交流耦合）。左圖沒有肖特基二極管。添加了肖特基二極管（BAT54S）的右圖。

需要注意肖特基二極管的反向漏電流，因?yàn)檫@可能會(huì)在正常工作期間引入失真和非線性。這種反向漏電非常依賴于溫度，通常在二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。一個(gè)不錯(cuò)的選擇是 BAT54 系列肖特基二極管（25°C 時(shí)最大 2 μA，125°C 時(shí) ~100 μA）。

完全消除過壓?jiǎn)栴}的一種方法是為放大器使用單電源軌。這意味著，如果使用與基準(zhǔn)電壓（最大輸入電壓）相同的電源電平（在本例中為5 V），則驅(qū)動(dòng)放大器永遠(yuǎn)不會(huì)擺幅低于地電位或高于最大輸入電壓。如果放大器具有足夠的輸出電流和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，則可以使用基準(zhǔn)電路直接為放大器供電。如圖5所示，另一種可能性是使用略低的基準(zhǔn)電壓值（例如，使用5 V電源軌時(shí)為4.096 V），從而顯著降低電壓過驅(qū)動(dòng)能力。

圖5.單電源精密ADC設(shè)計(jì)的典型電路圖

這些方法解決了過驅(qū)動(dòng)輸入的任何問題，但由于放大器的裕量和裕量要求，代價(jià)將是ADC的輸入擺幅和范圍受到限制。通常，軌到軌輸出放大器的電壓在供電軌的10s以內(nèi)，但考慮輸入裕量要求也很重要，輸入裕量可以是1 V或更高，因?yàn)檫@將進(jìn)一步限制緩沖器和單位增益配置中的擺幅。這種方法提供了最簡(jiǎn)單的解決方案，無需額外的保護(hù)元件，但取決于是否具有正確的電源電壓和可能的軌到軌輸入/輸出（RRIO）放大器。

放大器和ADC輸入之間的RC濾波器中的R系列也可用于限制過壓條件下ADC輸入端的電流。然而，這將是電流限制和ADC性能之間的權(quán)衡。較大的R串聯(lián)將提供更好的輸入保護(hù)，但會(huì)導(dǎo)致ADC性能失真更大。這可能是一個(gè)可以接受的折衷方案，尤其是在輸入信號(hào)帶寬較低或ADC未以全吞吐速率運(yùn)行時(shí)，因?yàn)樵谶@種情況下可以容忍更多的串聯(lián)R。應(yīng)用可接受的R的大小可以通過實(shí)驗(yàn)確定。

如本文前面所述，在保護(hù)ADC輸入時(shí)，沒有靈丹妙藥解決方案，但根據(jù)應(yīng)用要求，可以采用不同的單獨(dú)或組合方法來提供所需的保護(hù)級(jí)別，并相應(yīng)地權(quán)衡性能。

審核編輯：郭婷