ADC电路输入保护的设计经验

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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 t& G* L" u8 e. U在过压情形中可能出现哪些问题呢？

$ z: o; ]/ F$ G; k6 B* B发生的频率又是怎样的呢？
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) p5 X3 c" T3 D7 G$ Q! z: P: X5 C, x! Q有木有潜在的补救措施呢？
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……

针对上述问题，让我们进行一次深入分析吧！
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# N! w' e% H5 E. mADC 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。
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! X5 E: `0 ?/ y2 U) ]* s: c) \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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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

6 Z; b- r* k7 H3 g8 v* T3 m5 |% k4 t- ?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。
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! k* q$ {+ l  a! o6 E( b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。
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' y5 ^' C# k7 Y4 D6 E$ K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。

- @% y5 Q% G, ]. t5 H* H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。
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图 2. 精密 ADC 设计的典型电路图
; A' N6 x& v& m8 a' ?# x（添加了肖特基二极管和齐纳二极管保护)
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+ n3 Z; l* a1 {$ z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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, _7 ^+ O3 X% w# B图 3. 黄色 = ADC 输入，
紫色 = 基准电压源。
) f. k& o  h$ k9 u0 H左侧图像未添加肖特基二极管，
  W. a; @! s" f# k9 F+ e0 t右侧图像添加了肖特基二极管

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图 4. 黄色 = ADC 输入，
9 B9 \5 O8 c- [. J7 \( n2 e! D绿色 = ADC 驱动器输入，
紫色 = 基准电压源（交流耦合）
0 ?( x! T' S1 W0 Q0 m" M1 R左侧图像未添加肖特基二极管，
( v- v! c1 f* T3 e右侧图像添加了肖特基二极管(BAT54S)
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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。
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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）。
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4 H$ U" y1 B" S2 z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。

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图 5. 单电源精密 ADV 设计的典型电路图
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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。
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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。

# v$ @. Z/ h2 S$ s" W) o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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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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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