过压条件下保护ADC输入的解决方案

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。ADC输入的保护具有许多情况和潜在解决方案。所有供应商的ADC都在此方面具有相似需求。本文将深入分析过压情形中可能出现的问题、发生频率及潜在的补救措施。

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。

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)

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。

P2 保护ADC输入

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。

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(BAT54S)。