深入分析如何在過(guò)壓條件下保護(hù)ADC輸入

在設(shè)計(jì)ADC電路時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是“如何在過(guò)壓條件下保護(hù)ADC輸入”，那么....

在過(guò)壓情形中可能出現(xiàn)哪些問(wèn)題呢？

發(fā)生的頻率又是怎樣的呢？

有木有潛在的補(bǔ)救措施呢？

針對(duì)上述問(wèn)題，讓我們進(jìn)行一次深入分析吧！

ADC輸入的過(guò)驅(qū)一般發(fā)生于驅(qū)動(dòng)放大器電軌遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ADC最大輸入范圍時(shí)，例如，放大器采用±15 V供電，而ADC輸入為0至5V。高壓電軌用于接受±10 V輸入，同時(shí)給ADC前端信號(hào)調(diào)理/驅(qū)動(dòng)級(jí)供電，這在工業(yè)設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，PLC模塊就是這種情況。如果在驅(qū)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(tǒng)中干擾同步/后續(xù)轉(zhuǎn)換。

這里討論的重點(diǎn)雖然是如何保護(hù)精密SAR ADC，如AD798x系列，但是，這些保護(hù)措施同樣適用于其他ADC類型哦~

試考慮圖1中的情形。

圖1. 精密ADC設(shè)計(jì)的典型電路圖

上圖電路代表AD798X（例如AD7980）系列PulSAR ADC中的情形。輸入端、基準(zhǔn)電壓源和接地之間存在保護(hù)二極管。這些二極管能夠處理最高130mA的大電流，但僅能持續(xù)數(shù)毫秒，不適用于較長(zhǎng)時(shí)間或重復(fù)過(guò)壓。在一些產(chǎn)品上，例如AD768X/AD769x（如AD7685、AD7691）系列器件，保護(hù)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?yàn)閂DD是更穩(wěn)定的箝位電軌，對(duì)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(hù)二極管將開(kāi)啟，放大器將嘗試上拉REF節(jié)點(diǎn)。如果REF節(jié)點(diǎn)未通過(guò)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)，則REF節(jié)點(diǎn)（及輸入）的電壓將升至絕對(duì)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(qū)動(dòng)器趨向8 V而使基準(zhǔn)電壓(5 V)過(guò)驅(qū)的情況。許多精密基準(zhǔn)電壓源無(wú)灌電流能力，這在此情形中會(huì)造成問(wèn)題?；蛘撸鶞?zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路非常強(qiáng)勁，足以將基準(zhǔn)電壓保持在標(biāo)稱值附近，但仍將偏離精確值。

在共用一個(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)換不精確，因?yàn)樵撓到y(tǒng)依賴于高度精確的基準(zhǔn)電壓。如果故障狀況恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，后續(xù)轉(zhuǎn)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ADC范圍。相關(guān)說(shuō)明詳見(jiàn)圖2和圖3。如果適合應(yīng)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(shè)計(jì)的典型電路圖

（添加了肖特基二極管和齊納二極管保護(hù))

在此情況中，之所以選擇肖特基二極管，是因?yàn)槠渚哂械驼驅(qū)▔航担稍贏DC內(nèi)的內(nèi)部保護(hù)二極管之前開(kāi)啟。如果內(nèi)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ADC內(nèi)。對(duì)于額外保護(hù)，如果基準(zhǔn)電壓源沒(méi)有/幾乎沒(méi)有灌電流能力，則可在基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)上采用齊納二極管或箝位電路，以保證基準(zhǔn)電壓不被過(guò)度拉高。在圖2中，為5V基準(zhǔn)電壓源使用了5.6V齊納二極管。

圖3. 黃色 = ADC輸入，

紫色 = 基準(zhǔn)電壓源。

左側(cè)圖像未添加肖特基二極管，

右側(cè)圖像添加了肖特基二極管

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）

左側(cè)圖像未添加肖特基二極管，

右側(cè)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(qū)時(shí)，給ADC輸入添加肖特基二極管后對(duì)基準(zhǔn)輸入(5 V)的影響。肖特基二極管接地，5 V系統(tǒng)電軌能夠吸電流。如果沒(méi)有肖特基二極管，當(dāng)輸入超過(guò)基準(zhǔn)電壓和地電壓一個(gè)壓降時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)電壓源干擾。從圖中可看到，肖特基二極管完全消除了基準(zhǔn)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(yùn)行期間可引入失真和非線性。該反向漏電流受溫度影響很大，一般在二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。BAT54系列肖特基二極管是不錯(cuò)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)栴}的一種方式是為放大器使用單電源電軌。這意味著，只要為基準(zhǔn)電壓（最大輸入電壓）使用相同電源電平（本例中為5V），驅(qū)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(zhǔn)電路具有足夠的輸出電流和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(zhǔn)電壓值（例如，使用5 V電軌時(shí)為4.096 V），從而顯著降低電壓過(guò)驅(qū)能力。

圖5. 單電源精密ADV設(shè)計(jì)的典型電路圖

這些方法可解決輸入過(guò)驅(qū)的問(wèn)題，但代價(jià)是ADC的輸入擺幅和范圍受限，因?yàn)榉糯笃鞔嬖谏显Ａ亢拖略Ａ恳?。通常，軌到軌輸出放大器可在電軌十幾mV內(nèi)，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(nèi)。該方法提供了最簡(jiǎn)單的解決方案，因?yàn)椴恍枰~外保護(hù)元件，但依賴正確的電源電壓，可能還需要軌到軌輸入/輸出(RRIO)放大器。

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(hù)，但會(huì)導(dǎo)致ADC性能出現(xiàn)較大失真。如果輸入信號(hào)帶寬較低，或者ADC不在滿吞吐速率下運(yùn)行，這種取舍可行，因?yàn)榇饲闆r下串聯(lián)R可以接受。應(yīng)用可接受的R大小可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式確定。

如上文所述，保護(hù)ADC輸入沒(méi)有成法，但根據(jù)應(yīng)用要求，可采用不同的單獨(dú)或組合方法，以相應(yīng)的性能取舍提供所需的保護(hù)水平。

審核編輯 ：李倩