差分運(yùn)算放大器驅(qū)動器可保護(hù)高分辨率ADC免受輸入過壓影響

本應(yīng)用筆記討論如何有效保護(hù)ADC，使其免受運(yùn)算放大器驅(qū)動器引起的輸入過壓的影響。新型MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分ADC驅(qū)動器，內(nèi)置箝位功能，使驅(qū)動器輸出擺幅保持在ADC的額定電源范圍內(nèi)。

介紹

具有超低失真和噪聲的高性能、全差分運(yùn)算放大器對于實現(xiàn)高分辨率和低總諧波失真（THD）至關(guān)重要。運(yùn)算放大器（我們在這里簡稱為驅(qū)動器）在ADC的前端執(zhí)行各種操作。驅(qū)動程序處理緩沖和幅度縮放。它將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸出，為ADC的差分輸入供電。它通過VOCM引腳上的電壓設(shè)置來調(diào)整ADC的共模輸入信號，并對信號進(jìn)行濾波。

在本應(yīng)用筆記中，我們將說明如何有效保護(hù)ADC免受運(yùn)算放大器驅(qū)動器引起的輸入過壓的影響。新型MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分ADC驅(qū)動器，內(nèi)置箝位功能，使驅(qū)動器輸出擺幅保持在ADC的額定電源范圍內(nèi)。這種硬箝位可保護(hù)ADC免受其輸入端過壓的影響;該驅(qū)動器和ADC之間無需額外的外部分立元件即可實現(xiàn)箝位保護(hù)。與傳統(tǒng)的保護(hù)二極管方法相比，這種設(shè)計節(jié)省了空間和成本。

保護(hù)ADC免受輸入過壓影響的重要性

由于高性能ADC價格高，系統(tǒng)設(shè)計人員必須選擇能夠保護(hù)ADC免受過壓影響的驅(qū)動器。當(dāng)今的18位/20位ADC使用的基準(zhǔn)電壓/電源電壓不超過3.3V，但ADC驅(qū)動器通常使用±5V分離電源或更高的電壓。驅(qū)動器 V 上的負(fù)電壓黨衛(wèi)軍引腳用于適應(yīng)整個ADC軌到軌輸入信號擺幅。這里有一個警告。根據(jù)驅(qū)動器的輸入信號，其輸出可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ADC輸入電源。如果我們不將驅(qū)動器輸出電壓箝位到ADC電源電壓以內(nèi)，ADC可能會永久損壞。

市場上的大多數(shù)ADC在兩個電源軌的輸入端都有ESD保護(hù)二極管，但這些二極管在永久損壞之前無法處理>20mA至50mA量級的電流超過幾秒鐘。即使長時間通過內(nèi)部ESD二極管泄漏也會損壞保護(hù)二極管和ADC。

大多數(shù)設(shè)計人員在驅(qū)動器輸出端使用齊納二極管或肖特基二極管來限制ADC的輸入信號擺幅。該鉗位解決方案需要四個分立二極管和限流電阻。還有另一種選擇。MAX44205為180MHz、低噪聲、低失真、全差分運(yùn)算放大器驅(qū)動器，內(nèi)置箝位，將輸出擺幅限制在ADC電源范圍內(nèi)。因此，它可以保護(hù)ADC免受輸入端過壓的影響。該驅(qū)動器的鉗位特性省去了四個額外的分立元件，節(jié)省了PCB空間和成本。

離散地實施夾緊

設(shè)計人員使用肖特基二極管來箝位ADC輸入電壓。這是一個很好的方法，因為這些二極管提供~0.25V至0.4V的最低正向壓降電壓，具體取決于流經(jīng)它們的電流。肖特基二極管還有其他三個重要優(yōu)點(diǎn)：1）非常低的反向漏電流;2）寄生電容較小;3）非?？斓姆聪蚧謴?fù)時間。在肖特基二極管的這三個優(yōu)點(diǎn)中，低反向漏電流和較小的寄生電容在精密ADC應(yīng)用中至關(guān)重要。第三個優(yōu)點(diǎn)是快速反向恢復(fù)時間，當(dāng)二極管進(jìn)入箝位和箝位的速度至關(guān)重要時非常有用。

雖然肖特基二極管的寄生電容很小，但設(shè)計人員必須選擇電容隨施加到二極管的反向電壓變化變化最小的二極管。這種非線性效應(yīng)對于諧波失真很重要的應(yīng)用至關(guān)重要。

齊納二極管還用于箝位電壓，其中需要粗箝位 工作時，齊納二極管具有較高的反向漏電流，使其對ADC應(yīng)用的效率較低。

圖1顯示了使用肖特基二極管在ADC輸入端實現(xiàn)預(yù)定電壓電平的電壓箝位的基本方法。

圖1.帶肖特基二極管的基本電壓鉗位方案。

圖1使用兩個BAT42 Vishay?肖特基二極管。當(dāng)ADC驅(qū)動器輸出超出正ADC電源時，正電源電壓的每個輸出上的兩個肖特基二極管開始導(dǎo)通;二極管將這些節(jié)點(diǎn)的電壓電平維持在3.3V，加上這些二極管的正向壓降。請注意，肖特基二極管的正向壓降電壓因二極管的功率處理能力而異。因此，應(yīng)選擇具有較低正向壓降規(guī)格且正向連續(xù)電流規(guī)格適合應(yīng)用的肖特基二極管。

在四個電阻中，R限制限制流過肖特基二極管并進(jìn)入穩(wěn)壓器提供的 3.3V 電源軌的電流。R系列保護(hù)ADC的內(nèi)部ESD保護(hù)二極管。設(shè)計人員必須調(diào)整這些電阻的尺寸，以將電流保持在應(yīng)用的可管理水平。

R型限制電阻還有助于減少流入穩(wěn)壓器的電流，即3.3V電源軌。如果不限制此電流，穩(wěn)壓器的輸出電壓可能會增加，并使用電路板的相同穩(wěn)壓器輸出電源損壞其他IC。如果您知道ADC驅(qū)動器的電流不能超過~100mA，則有另一種方法。不要對串聯(lián)電阻使用限流電阻。驅(qū)動器和ADC之間的RC抗混疊濾波器將通過外部肖特基二極管的電流限制在~10mA的可管理水平。

所以重復(fù)一遍，R限制電阻有助于限制流入 3.3V 電源軌的電流。此外，它們與肖特基二極管電容一起形成低通濾波器，并將滾降電路帶寬響應(yīng)。對于需要更高帶寬的ADC應(yīng)用，這是一個問題，不利于ADC工作。

保護(hù)電路示例

使用外部肖特基二極管進(jìn)行硬箝位

現(xiàn)在，我們將展示一個使用四個肖特基二極管（圖2）的電路，該電路可保護(hù)ADC免受驅(qū)動器輸出過壓的影響。高性能16位至20位ADC需要一個低噪聲、低失真驅(qū)動器，以保持輸入信號的質(zhì)量并保持ADC的整體轉(zhuǎn)換精度。這里，一對7.5Ω電阻和一個1nF電容構(gòu)成一個抗混疊濾波器，提供21.22MHz截止頻率。為簡潔起見，我們不討論低通濾波器元件的尺寸，本應(yīng)用筆記僅限于ADC過壓保護(hù)。

圖2.采用四個外部肖特基二極管箝位驅(qū)動器輸出可保護(hù)ADC免受驅(qū)動器輸出過壓的影響。

圖2所示為MAX44206運(yùn)算放大器，配置為增益 = 1V/V差分放大器配置，采用±5V分離電源，VOCM = 1.65V。每個輸出均經(jīng)過直流電平轉(zhuǎn)換至1.65V，即ADC的中軌，以利用ADC的0V至3.3V全轉(zhuǎn)換范圍。±5V 分離電源允許驅(qū)動器在整個 0V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)提供輸出電壓擺幅。驅(qū)動器輸入端使用的輸入信號的幅度通常相等，異相180，以實現(xiàn)最大的差分輸出信號擺幅?，F(xiàn)在每個輸出都直流電平轉(zhuǎn)換到1.65V，每個輸出將具有基于180相分離的輸入的等幅信號擺幅。°°

在我們的實驗中，我們執(zhí)行了兩個測試用例：

1. 每個輸出的輸出電壓擺幅設(shè)置為3.3VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 3.3VP-P具有180相分離;實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 兩路輸入為 6.6VP-P.由于增益 = 1V/V，因此每個輸出也是 3.3VP-P具有 180 相分離和 6.6V°P-P輸出兩端的差分電壓（

圖 3

）。

圖3.圖2電路的輸出瞬態(tài)響應(yīng)。這里 VIN+= 3.3VP-P和 VHNL= VIN+-180;VOCM =1.65V?！?/p>

圖3示波器圖顯示，每個輸出上尚未開始箝位動作，因為每個輸出上的最大和最小電壓分別為3.3V和0V，如V所示外曲線?？梢岳斫獾氖?，二極管尚未導(dǎo)通以保護(hù)ADC。

2. 每個輸出端的輸出電壓擺幅設(shè)置為5VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 5VP-P具有 a180 相分離（圖 4）。實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 兩路輸入為 10VP-P.由于增益 = 1V/V，每個輸出應(yīng)為 5VP-P同相分離180次;一個 10V°P-P預(yù)計輸出兩端的差分電壓。5VP-P每個輸出上具有 1.65VDC 偏置意味著輸出擺幅在 4.15V 和 -0.85V 之間。實際上，只要每個輸出超過3.3V加上二極管的正向壓降，二極管就會導(dǎo)通，開始導(dǎo)通，并將驅(qū)動器輸出箝位至3.92V。類似地，二極管將驅(qū)動器輸出箝位至-0.8V。

圖4.圖2電路的輸出瞬態(tài)響應(yīng)，具有硬箝位功能。這里 VIN+= 5VP-P和 VHNL= 5VP-P;VHNL= VIN+-180°;V中氯= 3.3V;V中電= 0V;VOCM = 1.65V。

在圖2設(shè)置中，肖特基二極管導(dǎo)通時，硬鉗位狀態(tài)下消耗的電源電流約為15mA。大多數(shù)ADC的輸入電壓的絕對最大額定值高于供電軌0.3V，低于供電軌0.3V。

硬箝位，無需外部分立二極管

現(xiàn)在，我們將展示一個電路（圖5），該電路無需外部二極管即可保護(hù)ADC免受驅(qū)動器輸出過壓的影響。該解決方案不僅節(jié)省了PCB空間，還節(jié)省了肖特基二極管的額外成本。圖5與圖2幾乎相同，只是沒有四個二極管。

圖5所示的MAX44205運(yùn)算放大器具有兩個輸出箝位引腳：V中氯和 V中電可用于將輸出電壓電平限制在預(yù)定電壓。當(dāng)ADC電源軌連接到這些箝位引腳時，驅(qū)動器輸出被箝位在ADC電源軌內(nèi)，與施加到驅(qū)動器的輸入擺幅無關(guān)。

圖5.在該電路中，驅(qū)動器輸出被箝位，無需外部肖特基二極管或分立元件。

同樣，我們執(zhí)行了兩個測試用例：

1. 每個輸出的輸出電壓擺幅設(shè)置為3.3VP-P帶 1.65V直流偏見

同樣，每個輸入為3.3VP-P具有 180 相分離（圖 6）。由于增益 = 1V/V，因此每個輸出也是 3.3V°P-P具有 180 相分離。在示波器圖中（圖6），驅(qū)動器的每個輸出擺幅在3.3V至0V之間，與ADC電源軌完全相同，因此，到目前為止沒有箝位動作。°

圖6.圖5電路的輸出瞬態(tài)響應(yīng)（帶V）IN+= 3.3VP-P和 VHNL= 3.3VP-P;VS+= +5V;VS-= -5V;VHNL= VIN+-180;VOCM = 1.65V?！?/p>

2. 每個輸出端的輸出電壓擺幅設(shè)置為5VP-P帶 1.65V直流偏見

每個輸入為 5VP-P具有180相分離;實際差分輸入電壓（V°英迪夫） 在兩個輸入端為 10VP-P，如圖 7 所示。由于增益 = 1V/V，每個輸出應(yīng)為 5VP-P具有 180 相分離。再次，5V°P-P理論上，每個輸出上的1.65VDC偏置意味著輸出擺幅在4.15V和-0.85V之間。MAX44205運(yùn)算放大器在正擺幅上箝位輸出和限值為3.72V，在負(fù)擺幅上將限值箝位至-0.4V，如V所示輸出+跟蹤（圖7）。

圖7.圖5電路上硬箝位時的輸出瞬態(tài)響應(yīng)。這里 VIN+= 5VP-P和 VHNL= 5VP-P;VS+= +5V;VS-= -5V;VHNL= VIN+-180;VOCM = 1.65V?！?/p>

MAX44205運(yùn)算放大器具有專有的箝位機(jī)制，在硬箝位狀態(tài)下通過VCLPL僅消耗92μA電流。相比之下，使用圖4中的分立設(shè)計進(jìn)行箝位時，箝位為10毫安。MAX44205在箝位時的輸出電壓限值為V中氯+ 0.34 和 V中電- 0.42.不建議精確地箝位ADC的電源軌，因為驅(qū)動器輸出需要擺動至任一ADC軌而不會失真。如果驅(qū)動器輸出正好箝位在V中氯和 V中電，當(dāng)輸出位于ADC電源時，箝位可能會導(dǎo)通，從而導(dǎo)致失真。

審核編輯：郭婷