【導讀】在設計ADC電路時，一個常見的問題是如何在過壓條件下保護ADC輸入。ADC輸入的保護具有許多情況和潛在解決方案。所有供應商的ADC都在此方面具有相似需求。本文將深入分析過壓情形中可能出現的問題、發生頻率及潛在的補救措施。ADC輸入的過驅一般發生于驅動放大器電軌遠遠大于ADC最大輸入范圍時，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，同時給ADC前端信號調理/驅動級供電，這在工業設計中很常見，PLC模塊就是這種情況。。如果在驅動放大器電軌上發生故障狀況，則可因超過最大額定值而損壞ADC，或在多ADC系統中干擾同步/后續轉換。本文將重點討論如何保護精密SAR ADC，如AD798x系列，但也適用于其他ADC類型。
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，不適用于較長時間或重復過壓。在一些產品上，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的保護二極管將開啟，放大器將嘗試上拉REF節點。如果REF節點未通過強驅動器電路驅動，則REF節點（及輸入）的電壓將升至絕對最大額定電壓以上，一旦電壓在該過程中超過器件的擊穿電壓，ADC可能受損。圖3舉例說明了ADC驅動器趨向8 V而使基準電壓(5 V)過驅的情況。許多精密基準電壓源無灌電流能力，這在此情形中會造成問題。或者，基準驅動電路非常強勁，足以將基準電壓保持在標稱值附近，但仍將偏離精確值。在共用一個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，因為該系統依賴于高度精確的基準電壓。如果故障狀況恢復時間較長，后續轉換也可能不精確。
緩解此問題有幾種不同方法。最常見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。相關說明詳見圖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ADC內的內部保護二極管之前開啟。如果內部二極管部分開啟，肖特基二極管后的串聯電阻也有助于將電流限制在ADC內。對于額外保護，如果基準電壓源沒有/幾乎沒有灌電流能力，則可在基準節點上采用齊納二極管或箝位電路，以保證基準電壓不被過度拉高。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輸入過驅時，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。如果沒有肖特基二極管，當輸入超過基準電壓和地電壓一個壓降時，就會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時最大值為2μA，125°C時約100μA）。
完全消除過壓問題的一種方式是為放大器使用單電源電軌。這意味著，只要為基準電壓（最大輸入電壓）使用相同電源電平（本例中為5V），驅動放大器就絕不會擺動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強度，則可直接用來為放大器供電。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電軌時為4.096 V），從而顯著降低電壓過驅能力。
這些方法可解決輸入過驅的問題，但代價是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，這會將擺幅進一步限制在緩沖器和單位增益配置內。該方法提供了最簡單的解決方案，因為不需要額外保護元件，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。
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R也可用于在過壓狀況期間限制ADC輸入處的電流。不過，使用此方法時需要在限流能力與ADC性能做出取舍。較大的串聯R提供較佳的輸入保護，但會導致ADC性能出現較大失真。如果輸入信號帶寬較低，或者ADC不在滿吞吐速率下運行，這種取舍可行，因為此情況下串聯R可以接受。應用可接受的R大小可通過實驗方式確定。
如上文所述，保護ADC輸入沒有成法，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。他擁有都柏林大學電子工程學士學位。
本文轉載自ADI電機控制中文技術社區。
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