高壓電軌用於接受±10 V輸入
，同時給ADC前端信號調理/驅動級供電
，這在工業設計中很常見，PLC模塊就是這種情況。。如果在驅動放大器電軌上發生故障狀況
，則可因超過最大額定值而損壞ADC，或在多ADC係統中幹擾同步/後續轉換。本文將重點討論如何保護精密SAR ADC


，如AD798x係列
，但也適用於其他ADC類型。

 

試考慮圖1中的情形。

 

圖1. 精密ADC設計的典型電路圖。

 

本電路代表AD798X（例如AD7980）係列PulSAR® ADC中的情形。輸入端、基準電壓源和接地之間存在保護二極管。這些二極管能夠處理最高130mA的大電流，但僅能持續數毫秒，不適用於較長時間或重複過壓。在一些產品上，例如AD768X/AD769x（如AD7685、AD7691）係列器件，保護二極管連接至VDD引腳而不是REF。在這些器件上，VDD電壓始終大於或等於REF。一般而言，此配置更有效

，因為VDD是更穩定的箝位電軌，對幹擾不敏感。

 

圖1中，如果放大器趨向+15 V電軌，則連接至REF的保護二極管將開啟

，放大器將嚐試上拉REF節點。如果REF節點未通過強驅動器電路驅動，則REF節點（及輸入）的電壓將升至絕對最大額定電壓以上，一旦電壓在該過程中超過器件的擊穿電壓，ADC可能受損。圖3舉例說明了ADC驅動器趨向8 V而使基準電壓(5 V)guoqudeqingkuang。xuduojingmijizhundianyayuanwuguandianliunengli
，zhezaiciqingxingzhonghuizaochengwenti。huozhe
，jizhunqudongdianlufeichangqiangjin
，zuyijiangjizhundianyabaochizaibiaochengzhifujin，danrengjiangpianlijingquezhi。zaigongyongyigejizhundianyayuandetongbucaiyangduoADC係統中，其他ADC上的轉換不精確，因為該係統依賴於高度精確的基準電壓。如果故障狀況恢複時間較長
，後續轉換也可能不精確。

 

緩解此問題有幾種不同方法。最常見的是使用肖特基二極管（BAT54係列）
，將放大器輸出鉗位在ADC範圍。相關說明詳見圖2和圖3。如果適合應用需求，也可使用二極管將輸入箝位在放大器。

 

圖2. 精密ADC設計的典型電路圖（添加了肖特基二極管和齊納二極管保護)。

 

在此情況中，之所以選擇肖特基二極管

，是因為其具有低正向導通壓降

，可在ADC內的內部保護二極管之前開啟。如果內部二極管部分開啟，肖特基二極管後的串聯電阻也有助於將電流限製在ADC內。對於額外保護，如果基準電壓源沒有/幾乎沒有灌電流能力，則可在基準節點上采用齊納二極管或箝位電路
，以保證基準電壓不被過度拉高。在圖2中
，為5V基準電壓源使用了5.6V齊納二極管。

 

圖3. 黃色 = ADC輸入
，紫色 = 基準電壓源。左側圖像未添加肖特基二極管，右側圖像添加了肖特基二極管。

 

圖4. 黃色 = ADC輸入
，綠色 = ADC驅動器輸入，紫色 = 基準電壓源（交流耦合）。左側圖像未添加肖特基二極管。右側圖像添加了肖特基二極管(BAT54S)。

 

圖4中的示例顯示了以正弦波使ADC輸入過驅時，給ADC輸入添加肖特基二極管後對基準輸入(5 V)的影響。肖特基二極管接地，5 Vxitongdianguinenggouxidianliu。ruguomeiyouxiaotejierjiguan，dangshuruchaoguojizhundianyahedidianyayigeyajiangshi，jiuhuichuxianjizhundianyayuanganrao。congtuzhongkekandao，xiaotejierjiguanwanquanxiaochulejizhundianyayuanganrao。

 

需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)的(de)反(fan)向(xiang)漏(lou)電(dian)流(liu)，此(ci)電(dian)流(liu)在(zai)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)期(qi)間(jian)可(ke)引(yin)入(ru)失(shi)真(zhen)和(he)非(fei)線(xian)性(xing)。該(gai)反(fan)向(xiang)漏(lou)電(dian)流(liu)受(shou)溫(wen)度(du)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)，一(yi)般(ban)在(zai)二(er)極(ji)管(guan)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)指(zhi)定(ding)。BAT54係列肖特基二極管是不錯的選擇（25°C時最大值為2μA
，125°C時約100μA）。

 

完全消除過壓問題的一種方式是為放大器使用單電源電軌。這意味著，隻要為基準電壓（最大輸入電壓）使用相同電源電平（本例中為5V）
，驅(qu)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)就(jiu)絕(jue)不(bu)會(hui)擺(bai)動(dong)至(zhi)地(di)電(dian)壓(ya)以(yi)下(xia)或(huo)最(zui)大(da)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)以(yi)上(shang)。如(ru)果(guo)基(ji)準(zhun)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)和(he)驅(qu)動(dong)強(qiang)度(du)，則(ze)可(ke)直(zhi)接(jie)用(yong)來(lai)為(wei)放(fang)大(da)器(qi)供(gong)電(dian)。圖(tu)5中顯示了另一種可能性，也就是使用略低的基準電壓值（例如，使用5 V電軌時為4.096 V），從而顯著降低電壓過驅能力。

 

這些方法可解決輸入過驅的問題，但代價是ADC的輸入擺幅和範圍受限
，因為放大器存在上裕量和下裕量要求。通常，軌到軌輸出放大器可在電軌十幾mV內，但也必須考慮輸入裕量要求，可能為1 V或(huo)更(geng)高(gao)，這(zhe)會(hui)將(jiang)擺(bai)幅(fu)進(jin)一(yi)步(bu)限(xian)製(zhi)在(zai)緩(huan)衝(chong)器(qi)和(he)單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)配(pei)置(zhi)內(nei)。該(gai)方(fang)法(fa)提(ti)供(gong)了(le)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，因(yin)為(wei)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)保(bao)護(hu)元(yuan)件(jian)，但(dan)依(yi)賴(lai)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)，可(ke)能(neng)還(hai)需(xu)要(yao)軌(gui)到(dao)軌(gui)輸(shu)入(ru)/輸出(RRIO)放大器。

 

圖5. 單電源精密ADV設計的典型電路圖。

 

放大器與ADC輸入之間的RC濾波器中的串聯R也可用於在過壓狀況期間限製ADC輸入處的電流。不過，使用此方法時需要在限流能力與ADC性能做出取舍。較大的串聯R提供較佳的輸入保護，但會導致ADC性能出現較大失真。如果輸入信號帶寬較低，或者ADC不在滿吞吐速率下運行
，這種取舍可行
，因為此情況下串聯R可以接受。應用可接受的R大小可通過實驗方式確定。

 

如上文所述
，保護ADC輸入沒有成法，但根據應用要求
，可采用不同的單獨或組合方法，以相應的性能取舍提供所需的保護水平。

 

作者簡介

 

Alan Walsh[alan.walsh@analog.com]是ADI公司的應用工程師。他於1999年加入ADI公司
，就職於美國馬薩諸塞州威明頓市的精密轉換器應用部。他擁有都柏林大學電子工程學士學位。

 

本文轉載自ADI電機控製中文技術社區。