高壓電軌用于接受±10 V輸入，同時(shí)給ADC前端信號調理/驅動(dòng)級供電，這在工業(yè)設計中很常見(jiàn)，PLC模塊就是這種情況。。如果在驅動(dòng)放大器電軌上發(fā)生故障狀況，則可因超過(guò)最大額定值而損壞ADC，或在多ADC系統中干擾同步/后續轉換。本文將重點(diǎn)討論如何保護精密SAR ADC，如AD798x系列，但也適用于其他ADC類(lèi)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）系列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，不適用于較長(cháng)時(shí)間或重復過(guò)壓。在一些產(chǎn)品上，例如AD768X/AD769x（如AD7685、AD7691）系列器件，保護二極管連接至VDD引腳而不是REF。在這些器件上，VDD電壓始終大于或等于REF。一般而言，此配置更有效，因為VDD是更穩定的箝位電軌，對干擾不敏感。

 

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(kāi)啟，放大器將嘗試上拉REF節點(diǎn)。如果REF節點(diǎn)未通過(guò)強驅動(dòng)器電路驅動(dòng)，則REF節點(diǎn)（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(guò)程中超過(guò)器件的擊穿電壓，ADC可能受損。圖3舉例說(shuō)明了ADC驅動(dòng)器趨向8 V而使基準電壓(5 V)過(guò)驅的情況。許多精密基準電壓源無(wú)灌電流能力，這在此情形中會(huì )造成問(wèn)題?；蛘?，基準驅動(dòng)電路非常強勁，足以將基準電壓保持在標稱(chēng)值附近，但仍將偏離精確值。在共用一個(gè)基準電壓源的同步采樣多ADC系統中，其他ADC上的轉換不精確，因為該系統依賴(lài)于高度精確的基準電壓。如果故障狀況恢復時(shí)間較長(cháng)，后續轉換也可能不精確。

 

緩解此問(wèn)題有幾種不同方法。最常見(jiàn)的是使用肖特基二極管（BAT54系列），將放大器輸出鉗位在A(yíng)DC范圍。相關(guān)說(shuō)明詳見(jiàn)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A(yíng)DC內的內部保護二極管之前開(kāi)啟。如果內部二極管部分開(kāi)啟，肖特基二極管后的串聯(lián)電阻也有助于將電流限制在A(yíng)DC內。對于額外保護，如果基準電壓源沒(méi)有/幾乎沒(méi)有灌電流能力，則可在基準節點(diǎn)上采用齊納二極管或箝位電路，以保證基準電壓不被過(guò)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(dòng)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(guò)驅時(shí)，給ADC輸入添加肖特基二極管后對基準輸入(5 V)的影響。肖特基二極管接地，5 V系統電軌能夠吸電流。如果沒(méi)有肖特基二極管，當輸入超過(guò)基準電壓和地電壓一個(gè)壓降時(shí)，就會(huì )出現基準電壓源干擾。從圖中可看到，肖特基二極管完全消除了基準電壓源干擾。

 

需要注意肖特基二極管的反向漏電流，此電流在正常運行期間可引入失真和非線(xiàn)性。該反向漏電流受溫度影響很大，一般在二極管數據手冊中指定。BAT54系列肖特基二極管是不錯的選擇（25°C時(shí)最大值為2μA，125°C時(shí)約100μA）。

 

完全消除過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題的一種方式是為放大器使用單電源電軌。這意味著(zhù)，只要為基準電壓（最大輸入電壓）使用相同電源電平（本例中為5V），驅動(dòng)放大器就絕不會(huì )擺動(dòng)至地電壓以下或最大輸入電壓以上。如果基準電路具有足夠的輸出電流和驅動(dòng)強度，則可直接用來(lái)為放大器供電。圖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(shí)為4.096 V），從而顯著(zhù)降低電壓過(guò)驅能力。

 

這些方法可解決輸入過(guò)驅的問(wèn)題，但代價(jià)是ADC的輸入擺幅和范圍受限，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或更高，這會(huì )將擺幅進(jìn)一步限制在緩沖器和單位增益配置內。該方法提供了最簡(jiǎn)單的解決方案，因為不需要額外保護元件，但依賴(lài)正確的電源電壓，可能還需要軌到軌輸入/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(lián)R也可用于在過(guò)壓狀況期間限制ADC輸入處的電流。不過(guò)，使用此方法時(shí)需要在限流能力與ADC性能做出取舍。較大的串聯(lián)R提供較佳的輸入保護，但會(huì )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(mǎn)吞吐速率下運行，這種取舍可行，因為此情況下串聯(lián)R可以接受。應用可接受的R大小可通過(guò)實(shí)驗方式確定。

 

如上文所述，保護ADC輸入沒(méi)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(jiǎn)介

 

Alan Walsh[alan.walsh@analog.com]是ADI公司的應用工程師。他于1999年加入ADI公司，就職于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(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。

 

本文轉載自ADI電機控制中文技術(shù)社區。