保护ADC输入

设计ADC电路时出现的一个常见问题是如何保护ADC输入免受过压影响。ADC输入的保护有许多场景和潜在的解决方案。所有供应商的ADC在这方面都有类似的需求。本文深入探讨了过压情况下可能出现的问题、过压的发生方式以及可能的补救措施。

当驱动放大器的供电轨明显大于ADC的最大输入范围时，通常会发生ADC输入的过驱，例如，如果放大器工作电压为±15 V，ADC输入为0 V至5 V。这在工业设计中尤其常见，其中高压轨用于接受±10 V输入，并在ADC之前接受电源信号调理/驱动器级，例如PLC模块。如果发生故障，导致驱动放大器电源轨变大，则可能会因超过其最大额定值而损坏ADC，或干扰多ADC系统中的同步/后续转换。本文将重点介绍如何保护AD798x系列等精密SAR ADC，但它也可以应用于其他ADC类型。

让我们考虑图 1 中的场景。

图1.精密ADC设计的典型电路图。

该电路代表了我们在AD798x（例如AD7980）系列PulSAR ADC中看到的情况。输入、基准和接地之间有保护二极管。这些二极管能够处理高达 130 mA 的高电流，但只能持续几毫秒，不能处理更长的时间或重复的过压。在某些产品上，如AD768x/AD769x（例如AD7685、AD7691）系列器件，保护二极管与V级相同。®DD铅而不是参考。在这些部件上，VDD电压始终大于或等于 REF。一般来说，这比 V 效果更好DD是一种较硬的夹紧导轨，对干扰不敏感。

在图1中，如果放大器的电源轨朝+15 V电源轨方向移动，REF保护二极管将导通，放大器将尝试向上拖动REF节点。如果REF节点不是由强驱动电路驱动，则REF节点（和输入）的电压将上升到绝对最大额定电压以上，如果电压超过该过程中器件的击穿电压，ADC可能会损坏。有关ADC驱动器轨朝8 V并过驱动基准电压（5 V）的示例，请参见图3。许多精密基准电压源没有灌电流能力，这在这种情况下是一个问题。或者，基准驱动电路可能足够强大，使基准电压源接近其标称值，但仍会受到其精确值的干扰。

在共享一个基准电压源的同步采样多ADC系统中，其他ADC上的转换将不准确，因为系统依赖于高精度基准电压。如果从故障条件恢复的时间很长，则后续转换也可能不准确。

有几种不同的方法可用于缓解此问题。最常见的是使用肖特基二极管（BAT54系列）将放大器的输出箝位到ADC的范围。有关说明，请参见图 2 和图 3。如果适合应用需求，也可以使用二极管将输入箝位到放大器。

图2.添加了肖特基二极管和齐纳二极管保护的精密ADC设计的典型电路图。

图3.黄色 = ADC 输入，紫色 = 基准电压源。左边没有肖特基二极管，右边是肖特基二极管。

在这种情况下，选择肖特基二极管是因为其低正向压降，使得它们在ADC中的内部保护二极管之前导通。肖特基二极管之后的串联电阻也有助于在内部二极管略微导通时限制进入ADC的电流。为了提供额外的保护，如果基准电压源几乎没有灌电流能力，则可以在基准节点上使用齐纳二极管或箝位电路，以确保基准电压不会拉得太高。在图2中，5.6 V齐纳二极管用于5 V基准电压源。

图4显示了用正弦波过驱动ADC输入时，在ADC输入中添加肖特基二极管对基准输入（5 V）的影响。肖特基二极管接地，5 V系统电源轨能够吸收电流。如果没有肖特基二极管，当输入超过基准电压源并接地时，就会产生基准电压源扰动。可以看出，使用肖特基二极管可以完全消除基准干扰。

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）。左图没有肖特基二极管。添加了肖特基二极管（BAT54S）的右图。

需要注意肖特基二极管的反向漏电流，因为这可能会在正常工作期间引入失真和非线性。这种反向漏电非常依赖于温度，通常在二极管数据手册中指定。一个不错的选择是 BAT54 系列肖特基二极管（25°C 时最大 2 μA，125°C 时 ~100 μA）。

完全消除过压问题的一种方法是为放大器使用单电源轨。这意味着，如果使用与基准电压（最大输入电压）相同的电源电平（在本例中为5 V），则驱动放大器永远不会摆幅低于地电位或高于最大输入电压。如果放大器具有足够的输出电流和驱动强度，则可以使用基准电路直接为放大器供电。如图5所示，另一种可能性是使用略低的基准电压值（例如，使用5 V电源轨时为4.096 V），从而显著降低电压过驱动能力。

图5.单电源精密ADC设计的典型电路图

这些方法解决了过驱动输入的任何问题，但由于放大器的裕量和裕量要求，代价将是ADC的输入摆幅和范围受到限制。通常，轨到轨输出放大器的电压在供电轨的10s以内，但考虑输入裕量要求也很重要，输入裕量可以是1 V或更高，因为这将进一步限制缓冲器和单位增益配置中的摆幅。这种方法提供了最简单的解决方案，无需额外的保护元件，但取决于是否具有正确的电源电压和可能的轨到轨输入/输出（RRIO）放大器。

放大器和ADC输入之间的RC滤波器中的R系列也可用于限制过压条件下ADC输入端的电流。然而，这将是电流限制和ADC性能之间的权衡。较大的R串联将提供更好的输入保护，但会导致ADC性能失真更大。这可能是一个可以接受的折衷方案，尤其是在输入信号带宽较低或ADC未以全吞吐速率运行时，因为在这种情况下可以容忍更多的串联R。应用可接受的R的大小可以通过实验确定。

如本文前面所述，在保护ADC输入时，没有灵丹妙药解决方案，但根据应用要求，可以采用不同的单独或组合方法来提供所需的保护级别，并相应地权衡性能。

审核编辑：郭婷