本應用筆記討論如何有效保護ADC，使其免受運算放大器驅動器引起的輸入過壓的影響。新型MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分ADC驅動器，內置箝位功能，使驅動器輸出擺幅保持在ADC的額定電源范圍內。

介紹

具有超低失真和噪聲的高性能、全差分運算放大器對于實現高分辨率和低總諧波失真（THD）至關重要。運算放大器（我們在這里簡稱為驅動器）在ADC的前端執行各種操作。驅動程序處理緩沖和幅度縮放。它將單端輸入轉換為差分輸出，為ADC的差分輸入供電。它通過VOCM引腳上的電壓設置來調整ADC的共模輸入信號，并對信號進行濾波。

在本應用筆記中，我們將說明如何有效保護ADC免受運算放大器驅動器引起的輸入過壓的影響。新型MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分ADC驅動器，內置箝位功能，使驅動器輸出擺幅保持在ADC的額定電源范圍內。這種硬箝位可保護ADC免受其輸入端過壓的影響;該驅動器和ADC之間無需額外的外部分立元件即可實現箝位保護。與傳統的保護二極管方法相比，這種設計節省了空間和成本。

保護ADC免受輸入過壓影響的重要性

由于高性能ADC價格高，系統設計人員必須選擇能夠保護ADC免受過壓影響的驅動器。當今的18位/20位ADC使用的基準電壓/電源電壓不超過3.3V，但ADC驅動器通常使用±5V分離電源或更高的電壓。驅動器 V 上的負電壓黨衛軍引腳用于適應整個ADC軌到軌輸入信號擺幅。這里有一個警告。根據驅動器的輸入信號，其輸出可能遠遠超出ADC輸入電源。如果我們不將驅動器輸出電壓箝位到ADC電源電壓以內，ADC可能會永久損壞。

市場上的大多數ADC在兩個電源軌的輸入端都有ESD保護二極管，但這些二極管在永久損壞之前無法處理>20mA至50mA量級的電流超過幾秒鐘。即使長時間通過內部ESD二極管泄漏也會損壞保護二極管和ADC。

大多數設計人員在驅動器輸出端使用齊納二極管或肖特基二極管來限制ADC的輸入信號擺幅。該鉗位解決方案需要四個分立二極管和限流電阻。還有另一種選擇。MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分運算放大器驅動器，內置箝位，將輸出擺幅限制在ADC電源范圍內。因此，它可以保護ADC免受輸入端過壓的影響。該驅動器的鉗位特性省去了四個額外的分立元件，節省了PCB空間和成本。

離散地實施夾緊

設計人員使用肖特基二極管來箝位ADC輸入電壓。這是一個很好的方法，因為這些二極管提供~0.25V至0.4V的最低正向壓降電壓，具體取決于流經它們的電流。肖特基二極管還有其他三個重要優點：1）非常低的反向漏電流;2）寄生電容較小;3）非?？斓姆聪蚧謴蜁r間。在肖特基二極管的這三個優點中，低反向漏電流和較小的寄生電容在精密ADC應用中至關重要。第三個優點是快速反向恢復時間，當二極管進入箝位和箝位的速度至關重要時非常有用。

雖然肖特基二極管的寄生電容很小，但設計人員必須選擇電容隨施加到二極管的反向電壓變化變化最小的二極管。這種非線性效應對于諧波失真很重要的應用至關重要。

齊納二極管還用于箝位電壓，其中需要粗箝位 工作時，齊納二極管具有較高的反向漏電流，使其對ADC應用的效率較低。

圖1顯示了使用肖特基二極管在ADC輸入端實現預定電壓電平的電壓箝位的基本方法。

圖1.帶肖特基二極管的基本電壓鉗位方案。

圖1使用兩個BAT42 Vishay?肖特基二極管。當ADC驅動器輸出超出正ADC電源時，正電源電壓的每個輸出上的兩個肖特基二極管開始導通;二極管將這些節點的電壓電平維持在3.3V，加上這些二極管的正向壓降。請注意，肖特基二極管的正向壓降電壓因二極管的功率處理能力而異。因此，應選擇具有較低正向壓降規格且正向連續電流規格適合應用的肖特基二極管。

在四個電阻中，R限制限制流過肖特基二極管并進入穩壓器提供的 3.3V 電源軌的電流。R系列保護ADC的內部ESD保護二極管。設計人員必須調整這些電阻的尺寸，以將電流保持在應用的可管理水平。

R型限制電阻還有助于減少流入穩壓器的電流，即3.3V電源軌。如果不限制此電流，穩壓器的輸出電壓可能會增加，并使用電路板的相同穩壓器輸出電源損壞其他IC。如果您知道ADC驅動器的電流不能超過~100mA，則有另一種方法。不要對串聯電阻使用限流電阻。驅動器和ADC之間的RC抗混疊濾波器將通過外部肖特基二極管的電流限制在~10mA的可管理水平。

所以重復一遍，R限制電阻有助于限制流入 3.3V 電源軌的電流。此外，它們與肖特基二極管電容一起形成低通濾波器，并將滾降電路帶寬響應。對于需要更高帶寬的ADC應用，這是一個問題，不利于ADC工作。

保護電路示例

使用外部肖特基二極管進行硬箝位

現在，我們將展示一個使用四個肖特基二極管（圖2）的電路，該電路可保護ADC免受驅動器輸出過壓的影響。高性能16位至20位ADC需要一個低噪聲、低失真驅動器，以保持輸入信號的質量并保持ADC的整體轉換精度。這里，一對7.5Ω電阻和一個1nF電容構成一個抗混疊濾波器，提供21.22MHz截止頻率。為簡潔起見，我們不討論低通濾波器元件的尺寸，本應用筆記僅限于ADC過壓保護。

圖2.采用四個外部肖特基二極管箝位驅動器輸出可保護ADC免受驅動器輸出過壓的影響。

圖2所示為MAX44206運算放大器，配置為增益 = 1V/V差分放大器配置，采用±5V分離電源，VOCM = 1.65V。每個輸出均經過直流電平轉換至1.65V，即ADC的中軌，以利用ADC的0V至3.3V全轉換范圍?！?V 分離電源允許驅動器在整個 0V 至 3.3V 轉換范圍內提供輸出電壓擺幅。驅動器輸入端使用的輸入信號的幅度通常相等，異相180，以實現最大的差分輸出信號擺幅?，F在每個輸出都直流電平轉換到1.65V，每個輸出將具有基于180相分離的輸入的等幅信號擺幅?！恪?/p>

在我們的實驗中，我們執行了兩個測試用例：

1. 每個輸出的輸出電壓擺幅設置為3.3VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 3.3VP-P具有180相分離;實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 兩路輸入為 6.6VP-P.由于增益 = 1V/V，因此每個輸出也是 3.3VP-P具有 180 相分離和 6.6V°P-P輸出兩端的差分電壓（

圖 3

）。

圖3.圖2電路的輸出瞬態響應。這里 VIN+= 3.3VP-P和 VHNL= VIN+-180;VOCM =1.65V。°

圖3示波器圖顯示，每個輸出上尚未開始箝位動作，因為每個輸出上的最大和最小電壓分別為3.3V和0V，如V所示外曲線。可以理解的是，二極管尚未導通以保護ADC。

2. 每個輸出端的輸出電壓擺幅設置為5VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 5VP-P具有 a180 相分離（圖 4）。實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 兩路輸入為 10VP-P.由于增益 = 1V/V，每個輸出應為 5VP-P同相分離180次;一個 10V°P-P預計輸出兩端的差分電壓。5VP-P每個輸出上具有 1.65VDC 偏置意味著輸出擺幅在 4.15V 和 -0.85V 之間。實際上，只要每個輸出超過3.3V加上二極管的正向壓降，二極管就會導通，開始導通，并將驅動器輸出箝位至3.92V。類似地，二極管將驅動器輸出箝位至-0.8V。

圖4.圖2電路的輸出瞬態響應，具有硬箝位功能。這里 VIN+= 5VP-P和 VHNL= 5VP-P;VHNL= VIN+-180°;V中氯= 3.3V;V中電= 0V;VOCM = 1.65V。

在圖2設置中，肖特基二極管導通時，硬鉗位狀態下消耗的電源電流約為15mA。大多數ADC的輸入電壓的絕對最大額定值高于供電軌0.3V，低于供電軌0.3V。

硬箝位，無需外部分立二極管

現在，我們將展示一個電路（圖5），該電路無需外部二極管即可保護ADC免受驅動器輸出過壓的影響。該解決方案不僅節省了PCB空間，還節省了肖特基二極管的額外成本。圖5與圖2幾乎相同，只是沒有四個二極管。

圖5所示的MAX44205運算放大器具有兩個輸出箝位引腳：V中氯和 V中電可用于將輸出電壓電平限制在預定電壓。當ADC電源軌連接到這些箝位引腳時，驅動器輸出被箝位在ADC電源軌內，與施加到驅動器的輸入擺幅無關。

圖5.在該電路中，驅動器輸出被箝位，無需外部肖特基二極管或分立元件。

同樣，我們執行了兩個測試用例：

1. 每個輸出的輸出電壓擺幅設置為3.3VP-P帶 1.65V直流偏見

同樣，每個輸入為3.3VP-P具有 180 相分離（圖 6）。由于增益 = 1V/V，因此每個輸出也是 3.3V°P-P具有 180 相分離。在示波器圖中（圖6），驅動器的每個輸出擺幅在3.3V至0V之間，與ADC電源軌完全相同，因此，到目前為止沒有箝位動作?！?/p>

圖6.圖5電路的輸出瞬態響應（帶V）IN+= 3.3VP-P和 VHNL= 3.3VP-P;VS+= +5V;VS-= -5V;VHNL= VIN+-180;VOCM = 1.65V。°

2. 每個輸出端的輸出電壓擺幅設置為5VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 5VP-P具有180相分離;實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 在兩個輸入端為 10VP-P，如圖 7 所示。由于增益 = 1V/V，每個輸出應為 5VP-P具有 180 相分離。再次，5V°P-P理論上，每個輸出上的1.65VDC偏置意味著輸出擺幅在4.15V和-0.85V之間。MAX44205運算放大器在正擺幅上箝位輸出和限值為3.72V，在負擺幅上將限值箝位至-0.4V，如V所示輸出+跟蹤（圖7）。

圖7.圖5電路上硬箝位時的輸出瞬態響應。這里 VIN+= 5VP-P和 VHNL= 5VP-P;VS+= +5V;VS-= -5V;VHNL= VIN+-180;VOCM = 1.65V?！?/p>

MAX44205運算放大器具有專有的箝位機制，在硬箝位狀態下通過VCLPL僅消耗92μA電流。相比之下，使用圖4中的分立設計進行箝位時，箝位為10毫安。MAX44205在箝位時的輸出電壓限值為V中氯+ 0.34 和 V中電- 0.42.不建議精確地箝位ADC的電源軌，因為驅動器輸出需要擺動至任一ADC軌而不會失真。如果驅動器輸出正好箝位在V中氯和 V中電，當輸出位于ADC電源時，箝位可能會導通，從而導致失真。

審核編輯：郭婷