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ADC电路输入保护的设计经验

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发表于 2021-10-28 11:15 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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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& ]1 c2 M0 }0 e: [7 i% B) X: e5 w
在过压情形中可能出现哪些问题呢?+ }) e* D( X6 C/ j6 c* x

. P& ?4 [& y! g; U2 ~5 W9 U发生的频率又是怎样的呢?
1 j+ q$ U& E3 _6 F0 b/ S$ p* _. s- J7 T! _0 P9 a, P4 P- w
有木有潜在的补救措施呢?
% ~! m9 J/ s* {9 |
" y! i: S0 r: v9 B……
3 N5 k. G' ^1 y' T' s% K; W( g* I. P$ a& u4 K; o- S* C2 }
针对上述问题,让我们进行一次深入分析吧!
; H* h& g7 I( a' C6 S4 R
& E  m& a* j1 i4 W( IADC 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。
8 S% G9 Q* t8 n0 a/ ?# {: C9 `% P  G4 e5 L0 b4 t
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~
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+ F: H: B- Z- q$ c. `9 _1 m试考虑图 1 中的情形。
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图 1. 精密 ADC 设计的典型电路图
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5 t# l6 P5 g4 t8 u# @7 F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。
2 b$ |, k; ~) ]# a$ w8 w  H2 d% Z7 D1 O1 ?! B* o9 M& Q% |
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。. }2 o+ h% z" [% _2 _. w! c
4 B* `$ E6 K; }& `0 |
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。  X, y% t7 S2 h+ e1 m4 _" S0 Z8 W

2 P2 ~, H. y' s% y. L( T7 X5 p- F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。
$ K. D  ~4 |/ f6 o+ l7 K4 L4 K% \7 D; v4 B

8 [' ?8 I6 v6 B' e图 2. 精密 ADC 设计的典型电路图
2 ?1 x, p) Q. d7 j8 {- ]2 u6 I0 d0 `(添加了肖特基二极管和齐纳二极管保护)
/ W9 e7 j% `6 c0 E0 v1 @# l5 ?" |$ W, C/ ], d: }
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。
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6 ?- U4 C8 r0 Y4 Z; L! I
8 O* e2 r- T: _6 L图 3. 黄色 = ADC 输入,) O* A& {) l% z
紫色 = 基准电压源。1 O4 p  I. P3 N; d
左侧图像未添加肖特基二极管,7 k6 G2 I* Z- g4 g% ^! O7 o8 h1 m0 ~
右侧图像添加了肖特基二极管1 n5 I) O: u) ~% q  d" X+ T  M

2 [4 `. L3 c3 S
$ w0 B8 c  y1 \, p/ o% z图 4. 黄色 = ADC 输入,; C& O2 x3 l! ~2 @5 K
绿色 = ADC 驱动器输入,
7 }* I& N& o) F% J( r紫色 = 基准电压源(交流合), ?5 |6 K, f5 s5 w% j
左侧图像未添加肖特基二极管,
/ J  T0 V0 y2 X1 ~+ O( S! F4 y8 E右侧图像添加了肖特基二极管(BAT54S)
2 g+ P9 @" m# c, e" Y, d: D- V( X2 a, @5 L' J8 _/ j/ ]7 n
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。
; h3 T. N; ]  z& _, E9 ]  d. p  M8 ?0 Z" \9 T5 t4 r3 X
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)。  e* E' \  l" V

' L: ]0 A; n1 K, o9 |& y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。
2 e& }! o- X, k
1 O; k- x0 C2 E* h1 H9 T5 w- U- |3 ~+ f& i
图 5. 单电源精密 ADV 设计的典型电路图
" c2 Q; O4 O! L- t) f, Y, O, a! Z2 v; A1 h9 Z" b
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。* ]9 O2 s* }4 _3 A1 Y+ ]) Y

7 o5 o) T( N' ?# s( p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。" g* A. j  F2 S
+ }1 Y7 u. {. ^9 ?, D1 q9 I1 R: C
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。

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2#
发表于 2021-10-28 11:26 | 只看该作者
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

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3#
发表于 2021-10-28 16:44 | 只看该作者
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
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