在设计 ADC 电路时,一个常见的问题是“如何在过压条件下保护 ADC 输入”,那么

在过压情形中可能出现哪些问题呢?


发生的频率又是怎样的呢?


有木有潜在的补救措施呢?


……

 

针对上述问题,让我们进行一次深入分析吧!

 

ADC 输入的过驱一般发生于驱动放大器电轨远远大于 ADC 最大输入范围时,例如,放大器采用±15 V 供电,而 ADC 输入为 0 至 5V。高压电轨用于接受±10 V 输入,同时给 ADC 前端信号调理 / 驱动级供电,这在工业设计中很常见,PLC 模块就是这种情况。如果在驱动放大器电轨上发生故障状况,则可因超过最大额定值而损坏 ADC,或在多 ADC 系统中干扰同步 / 后续转换。

 

这里讨论的重点虽然是如何保护精密 SAR ADC,如 AD798x 系列,但是,这些保护措施同样适用于其他 ADC 类型哦~

 

试考虑图 1 中的情形。

 

图 1. 精密 ADC 设计的典型电路图

 

上图电路代表 AD798X(例如 AD7980)系列 PulSAR® ADC 中的情形。输入端、基准电压源和接地之间存在保护二极管。这些二极管能够处理最高 130mA 的大电流,但仅能持续数毫秒,不适用于较长时间或重复过压。在一些产品上,例如 AD768X/AD769x(如 AD7685、AD7691)系列器件,保护二极管连接至 VDD 引脚而不是 REF。在这些器件上,VDD 电压始终大于或等于 REF。一般而言,此配置更有效,因为 VDD 是更稳定的箝位电轨,对干扰不敏感。

 

图 1 中,如果放大器趋向+15 V 电轨,则连接至 REF 的保护二极管将开启,放大器将尝试上拉 REF 节点。如果 REF 节点未通过强驱动器电路驱动,则 REF 节点(及输入)的电压将升至绝对最大额定电压以上,一旦电压在该过程中超过器件的击穿电压, ADC 可能受损。图 3 举例说明了 ADC 驱动器趋向 8 V 而使基准电压 (5 V)过驱的情况。许多精密基准电压源无灌电流能力,这在此情形中会造成问题。或者,基准驱动电路非常强劲,足以将基准电压保持在标称值附近,但仍将偏离精确值。

 

在共用一个基准电压源的同步采样多 ADC 系统中,其他 ADC 上的转换不精确,因为该系统依赖于高度精确的基准电压。如果故障状况恢复时间较长,后续转换也可能不精确。

 

缓解此问题有几种不同方法。最常见的是使用肖特基二极管(BAT54 系列),将放大器输出钳位在 ADC 范围。相关说明详见图 2 和图 3。如果适合应用需求,也可使用二极管将输入箝位在放大器。

 

图 2. 精密 ADC 设计的典型电路图
(添加了肖特基二极管和齐纳二极管保护)

 

在此情况中,之所以选择肖特基二极管,是因为其具有低正向导通压降,可在 ADC 内的内部保护二极管之前开启。如果内部二极管部分开启,肖特基二极管后的串联电阻也有助于将电流限制在 ADC 内。对于额外保护,如果基准电压源没有 / 几乎没有灌电流能力,则可在基准节点上采用齐纳二极管或箝位电路,以保证基准电压不被过度拉高。在图 2 中,为 5V 基准电压源使 用了 5.6V 齐纳二极管。

 

图 3. 黄色 = ADC 输入,
紫色 = 基准电压源。
左侧图像未添加肖特基二极管,
右侧图像添加了肖特基二极管

 

图 4. 黄色 = ADC 输入,
绿色 = ADC 驱动器输入,
紫色 = 基准电压源(交流耦合)
左侧图像未添加肖特基二极管,
右侧图像添加了肖特基二极管(BAT54S)

 

图 4 中的示例显示了以正弦波使 ADC 输入过驱时,给 ADC 输入添加肖特基二极管后对基准输入(5 V)的影响。肖特基二极管接地,5 V 系统电轨能够吸电流。如果没有肖特基二极管,当输入超过基准电压和地电压一个压降时,就会出现基准电压源干扰。从图中可看到,肖特基二极管完全消除了基准电压源干扰。

 

需要注意肖特基二极管的反向漏电流,此电流在正常运行期间可引入失真和非线性。该反向漏电流受温度影响很大,一般在二极管数据手册中指定。BAT54 系列肖特基二极管是不错的选择(25°C 时最大值为 2μA,125°C 时约 100μA)。

 

完全消除过压问题的一种方式是为放大器使用单电源电轨。这意味着,只要为基准电压(最大输入电压)使用相同电源电平(本例中为 5V),驱动放大器就绝不会摆动至地电压以下或最大输入电压以上。如果基准电路具有足够的输出电流和驱动强度,则可直接用来为放大器供电。图 5 中显示了另一种可能性,也就是使用略低的基准电压值(例如,使用 5 V 电轨时为 4.096 V),从而显著降低电压过驱能力。

 

图 5. 单电源精密 ADV 设计的典型电路图

 

这些方法可解决输入过驱的问题,但代价是 ADC 的输入摆幅和范围受限,因为放大器存在上裕量和下裕量要求。通常,轨到轨输出放大器可在电轨十几 mV 内,但也必须考虑输入裕量要求,可能为 1 V 或更高,这会将摆幅进一步限制在缓冲器和单位增益配置内。该方法提供了最简单的解决方案,因为不需要额外保护元件,但依赖正确的电源电压,可能还需要轨到轨输入 / 输出(RRIO)放大器。

 

放大器与 ADC 输入之间的 RC 滤波器中的串联 R 也可用于在过压状况期间限制 ADC 输入处的电流。不过,使用此方法时需要在限流能力与 ADC 性能做出取舍。较大的串联 R 提供较佳的输入保护,但会导致 ADC 性能出现较大失真。如果输入信号带宽较低,或者 ADC 不在满吞吐速率下运行,这种取舍可行,因为此情况下串联 R 可以接受。应用可接受的 R 大小可通过实验方式确定。

 

如上文所述,保护 ADC 输入没有成法,但根据应用要求,可采用不同的单独或组合方法,以相应的性能取舍提供所需的保护水平。