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。本文将重点讨论如何保护精密SAR ADC,如AD798x系列,但也适用于其他ADC类型。
试考虑图1中的情形。
图1. 精密ADC设计的典型电路图。
本电路代表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。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)。
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。
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。