ADC輸入的過驅動(overdrive),通常會發生在驅動放大器的電源軌顯著大於ADC的最大輸入範圍,比方說,如果放大器動作於±15 V,而ADC輸入的最大範圍為0V~5V。此類情況在採用高電壓電源軌的工業設計中,以及位於ADC之前的功率訊號調節驅動級中(例如PLC模組中)特別常見。如果有一故障情況發生而導致驅動放大器逼近電源軌(rail)時,就會因超過多重ADC(multi-ADC)系統的最大額定值,而對ADC造成損壞,或是干擾到同時/隨後的轉換。本文將重點介紹如何保護像AD798x系列這類的精密SAR ADC,但也可以應用於其他的ADC類型。

首先考慮圖1中的情況。

20170718TA01P1 圖1 典型的精密ADC設計電路圖。

此電路是我們在AD798x(例如AD7980)系列PulSAR ADC中,可以看到的標準結構。其中,輸入端、參考電壓,以及接地電位之間,存在著保護二極體。這些二極體能夠應付高達130mA的高電流,但只有幾毫秒——並不能承受長時間或重複的過電壓。在某些產品中,如AD768x/AD769x(例如AD7685、AD7691)系列元件,則是將保護二極體接到VDD,而不是REF。在這些元件中,VDD電壓永遠是高於或等於REF。一般來說,此作法會得到較好的結果,因為對於鉗位(Clamping)而言,VDD是較固定的電源軌,且對於干擾也較不敏感。

20170718TA01P2 圖2 加入蕭特基二極體及齊納二極體保護的典型精密ADC設計電路圖。

如圖1所示,當放大器逼近(rail toward)+15V電源軌時,則接往REF的保護二極體會導通,讓放大器試圖將REF點向上拉高。此時如果REF點並非由強力的驅動電路所驅動,則REF點(和輸入端)的電壓將會上升到超過絕對最大額定電壓,而如果該電壓超過元件的擊穿電壓時,ADC就可能會受到損壞。圖3所示的例子,為ADC驅動器採用8V電源軌,並過驅動參考電壓(5V)。許多精密參考電壓點沒有電流汲取(current sink)能力,這在此情況中會造成問題。相反地,參考驅動電路或許具有能力可將參考電壓值保持在接近標稱值,但精確值仍然會受到干擾。

20170718TA01P3 圖3 黃色線為ADC輸入,紫色線為參考電壓。左邊為沒有蕭特基二極體的情況,右邊則是採用了蕭特基二極體時的結果。

在共享該參考電壓的同時採樣(simultaneous sampling)多重ADC系統中,其他ADC的轉換會不夠準確,因為系統需依賴於高精度的參考電壓。此外,如果從故障狀態恢復時間較長時,後續轉換也可能會不準確。

有幾種不同的方法可以減輕這個問題。最常見的方法是利用蕭特基二極體(BAT54系列)來將放大器的輸出鉗位到ADC的範圍內,如圖2和圖3所示。另外,如果符合應用的需求,也可以使用二極體來鉗位放大器的輸入。

在此例中,利用了蕭特基二極體的低順向電壓特性,讓它可先於ADC內部保護二極體之前導通。位於蕭特基二極體之後的串聯電阻,在ADC內部二極體些微導通的情況下,也有助於限制進入ADC的電流。為了增加額外的保護,如果參考電壓幾乎沒有任何汲取電流能力,還可以在參考點上使用一齊納二極體或鉗位電路,來保證參考電壓不會被拉得太高。在圖2中,使用了一個5.6V的齊納二極體於參考電壓點上。

圖4所示的例子,是在正弦波過驅動ADC的輸入時,於ADC輸入端加上蕭特基二極體,對於參考電壓(5V)所產生的影響。其中,蕭特基二極體分別連接到地,以及能夠汲取電流的5V系統電源軌。如果沒有這些蕭特基二極體,當輸入超過參考電壓及接地電位達一個二極體壓降時,會出現參考干擾(reference disturbance)。在此我們則可以明顯看到,透過蕭特基二極體可完全去除掉參考干擾。

20170718TA01P4 圖4 黃色線為ADC輸入,綠色線為ADC驅動器輸入,紫色線為參考電壓(交流耦合)。左邊為沒有蕭特基二極體的情況,右邊則是採用了蕭特基二極體時的結果。

需要注意的是蕭特基二極體的反向洩漏電流,因為它可能會在正常動作時,造成失真和非線性。這類反向洩漏非常容易隨溫度而變化,通常在二極體的規格書中會有相關敘述。BAT54系列蕭特基二極體會是一個好的選擇。

要完全消除過電壓問題的方法之一,是使用單電源軌的放大器。這意味著如果參考電壓(最大輸入電壓)與電源使用相同的電壓位準(在此例中為5V),則驅動放大器永遠不會擺動到低於接地電位,或高於最大輸入電壓。如果參考電壓電路具有足夠的輸出電流和驅動力,則也可利用參考電壓電路來直接供電給放大器。圖5所示的另一種可能做法,是使用稍低的參考電壓值(例如,當電源軌為5V時,使用4.096V),從而顯著降低電壓過驅動的程度。

20170718TA01P5 圖5 單電源精密ADC設計的典型電路。

前述這些方法可以解決任何輸入過驅動的問題,但由於放大器的上下淨空區(headroom及footroom)要求,因此ADC的輸入擺幅和範圍將受到限制。一般來說,軌對軌輸出放大器可在電源軌的數10mV範圍內,但輸入淨空需求(通常會是1V或更高)也是需要考慮的重點,因為它會更進一步限制緩衝器和統一增益(unity-gain)組態的擺幅。這種方法提供了最簡單的解決方案,無需額外的保護元件,但要依賴正確的電源電壓,且可能需要軌對軌輸入/輸出(RRIO)放大器。

位於放大器和ADC輸入之間的RC濾波器中的串聯R,也可在過電壓情況下,限制ADC輸入端所看到的電流。然而,這會形成電流限制和ADC性能之間的折衷取捨。較大的串聯R可提供較好的輸入保護,但會導致ADC性能的較大失真。但這有時是可被接受的折衷方案,特別是在輸入訊號帶寬較低或ADC未以全吞吐率動作時,因為在這類情況下,可以容許更大的串聯R。對於不同的應用,其可接受的R值須透過實驗來判斷決定。

如前面所討論,對於ADC輸入的保護,並沒有所謂的萬靈丹,而是要根據應用需求,採用不同的單獨或組合方法,在相關的性能折衷條件下提供所需的保護等級。