關(guān)于ADC 輸入緩沖器和保護技術(shù)分析

本應(yīng)用筆記介紹了專為最大化和可靠數(shù)據(jù)采集而設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入緩沖器和保護技術(shù)。該文檔還簡要介紹了 SCR 閂鎖，即創(chuàng)建低阻抗路徑，以及不同的輸入保護技術(shù)，以確保 ADC 輸入電壓不超過轉(zhuǎn)換器的電源電壓。

ADC 輸入緩沖器和保護電路的設(shè)計對于優(yōu)化和可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。Crystal Semiconductor 應(yīng)用筆記“ADC 輸入緩沖器”很好地涵蓋了這一領(lǐng)域，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)查看此信息。自從“ADC 輸入緩沖器”出版以來，有很多關(guān)于 ADC 輸入保護的附加信息和電路的請求。本應(yīng)用筆記介紹了適用于 CS5336 系列轉(zhuǎn)換器的緩沖器/保護電路。所描述的技術(shù)同樣適用于晶體模??數(shù)轉(zhuǎn)換器的其他系列。

可控硅閂鎖

SCR閂鎖被定義為“通過觸發(fā)CMOS輸入和輸出電路中固有的寄生四層雙極結(jié)構(gòu)（SCR）來在電源軌之間創(chuàng)建低阻抗路徑”。這是一種自我維持狀態(tài)，一旦鎖存，CMOS 器件將保持這種狀態(tài)，而不管 I/O 引腳電壓如何，直到電源電壓被移除。閂鎖期間的過度功耗也可能損壞器件。強制電流進入 CMOS 器件的輸入或輸出通常會通過施加高于電源軌的電壓而導(dǎo)致閂鎖。通電后，由于啟動鎖存器所需的電流量很大，Crystal Semiconductor ADC 對鎖存器具有極強的免疫力。如果在上電期間施加大于瞬時電源電壓的輸入電壓，就會出現(xiàn)問題。當(dāng)電源電壓超過絕對最大指定值時，會出現(xiàn)一種不太常見但同樣具有破壞性的 SCR 情況。設(shè)計人員可以使用多種保護技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點和缺點。

保護技術(shù)

輸入保護的目標(biāo)是保證 ADC 輸入電壓永遠不會超過轉(zhuǎn)換器的電源電壓。這是通過“外部”世界和 ADC 輸入之間的運算放大器緩沖器實現(xiàn)的，然后將 ADC 輸入電壓偏移限制在轉(zhuǎn)換器電源電壓的范圍內(nèi)。

方法一

有許多高質(zhì)量的運算放大器可供設(shè)計工程師用作輸入緩沖器，其中大部分都設(shè)計為在大于 +/- 5 V 的電源下工作。使用所需的多個電源存在潛在問題。在信號幅度偏移，瞬態(tài)上電條件或運算放大器故障期間，ADC模擬輸入可能會承受比ADC電源更大的電壓。有多種方法可用于鉗位 ADC 輸入電壓。圖 1 顯示了使用多個電源的二極管鉗位輸入緩沖器電路。為 CR1-CR4 選擇的二極管類型至關(guān)重要，必須使用以下標(biāo)準(zhǔn)進行評估。
1.正偏電壓特性。肖特基二極管因其低正向偏置電壓特性而成為首選。
2. 反向偏置漏電流。電壓相關(guān)漏電流的影響與電路阻抗成正比，并可能導(dǎo)致失真。漏電流也會隨溫度變化，必須在預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)進行評估。
3. 反向偏置電容。電壓相關(guān)的結(jié)電容會導(dǎo)致失真，并且與電路元件值相比必須是微不足道的。

方法二

輸入保護的目標(biāo)也可以通過使用與轉(zhuǎn)換器相同的電源為輸入緩沖器供電來實現(xiàn)，如圖 4 所示。該電路需要比圖 1 電路更少的組件，并且使用通用電源可確保操作放大器輸出不會超過 ADC 電源電壓。但是，為 CS5336 實現(xiàn)滿量程數(shù)字輸出所需的模擬電壓通常為 +/- 3.68 V，并且大多數(shù)運算放大器不具備 +/- 5 V 電源的這種輸出能力。

由于音頻信號的瞬態(tài)特性，數(shù)字音頻系統(tǒng)通常在低于滿量程 10 到 20 dB 的平均電平下運行。這是為了留出足夠的余量來處理高幅度瞬態(tài)信號。由于調(diào)節(jié)器容差導(dǎo)致的滿量程失真增加可以被認(rèn)為是微不足道的。如果需要，2% 的穩(wěn)壓器將避免這種失真增加。

編輯：hfy