Защита входов АЦП

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2015

Alan Walsh, Analog Devices

EDN

Типичный вопрос, возникающий при разработке схем с аналого-цифровыми преобразователями – как защитить входы АЦП от чрезмерного напряжения. Здесь существует много разных подходов и решений. В этом плане АЦП всех производителей похожи друг на друга. Предлагаемая статья поможет понять, что может произойти при перегрузке входов, почему возникает перегрузка и как можно исправить ситуацию.

Перегрузка входов АЦП возникает, как правило, в тех случаях, когда напряжения шин питания входного буферного усилителя существенно превышают максимально допустимый диапазон входных напряжений АЦП, например, если усилитель питается напряжением ±15 В а входы АЦП – 0…5 В. Такая ситуация особенно типична для промышленных устройств, и в частности для ПЛК, где для того, чтобы обрабатывать стандартные входные сигналы ±10 В, перед АЦП ставятся схемы нормализации, подключенные к высоковольтным шинам питания. При возникновении сбоя в буферном усилителе это может привести к повреждению АЦП в случае превышения предельно допустимого входного напряжения, или к снижению точности преобразования в системах с несколькими АЦП. В статье сделан акцент на способах защиты прецизионных АЦП последовательных приближений семейства AD798X, однако все, что будет сказано, применимо и к АЦП других типов.

Давайте обсудим вариант, показанный на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Типичная входная цепь АЦП на примере микросхеме семейства PulSAR.

Схема отражает внутреннее устройство входов АЦП AD798X (скажем, AD7980) семейства PulSAR. Между входом, выводом REF опорного напряжения и землей включены защитные диоды. Эти диоды, в случае микросхемы AD798X, способны выдерживать токи до 130 мА, но лишь в течение нескольких миллисекунд – не дольше, и не многократно. В некоторых приборах, таких как AD768X/9X (например, AD7685 и AD7691) защитные диоды подключены не REF, а к выводу питания VDD. Напряжение питания VDD этих микросхем всегда больше или равно REF. Обычно такая защита работает лучше, поскольку шина VDD более устойчива к отводимому току и не столь чувствительна к помехам.

Рисунок 2.	Ограничение выходного напряжения усилителя для защиты входа АЦП.

В схеме на Рисунке 1 вывод питания усилителя подключен к шине +15 В, и если выходной сигнал драйвера приближается к этому напряжению, диод, защищающий REF, открывается, и усилитель пытается поднять напряжение в узле REF. Если узел REF не буферизован достаточно мощной схемой драйвера, напряжение на REF (и на входе) превысит максимально допустимое значение, и, если оно окажется больше пробивного напряжения транзисторов микросхемы, АЦП может выйти из строя. Осциллограмма для случая, когда выходное напряжение драйвера АЦП на 8 В превышает напряжение опорного источника, показана на Рисунке 3. Многие прецизионные источники опорного напряжения (ИОН) не способны принимать втекающий ток, что для данной схемы является проблемой. Кроме того, хотя буфер опорного источника и может быть достаточно мощным для того, чтобы поддерживать напряжение на уровне, близком к номинальному значению, требуемая его точность при этом будет потеряна.

Рисунок 3.	На этих осциллограммах: желтый – вход АЦП, пурпурный – ИОН. Слева – без диодов Шоттки, справа – с диодами Шоттки.

Это означает, что в системах с синхронной выборкой нескольких АЦП, использующих общий источник опорного напряжения, результаты преобразования остальных АЦП будут искаженными, так как зависят от напряжения прецизионного опорного источника. Точность последовательных преобразований также может быть плохой, когда время восстановления после сбоя слишком велико.

Есть несколько различных подходов или их комбинаций, позволяющих смягчить эту проблему. Самый распространенный способ – использование диодов Шоттки (например, семейства BAT54) для ограничения выходного напряжения усилителя до уровня, допустимого для АЦП. Сказанное иллюстрируется Рисунками 2 и 3. Возможно также использовать диоды и для ограничения входных сигналов усилителя, если это соответствует требованиям конкретного приложения.

В данном случае выбраны диоды Шоттки из-за их малого прямого падения напряжения, благодаря которому они включаются раньше, чем внутренние защитные диоды АЦП. Последовательный резистор после диодов Шоттки также помогает ограничить входной ток, если внутренние диоды АЦП открыты не полностью. Дополнительную защиту для случая, когда ИОН не может обеспечить втекающий ток, или же этот ток слишком мал, могут предоставить стабилитрон или схема ограничения, гарантированно не позволяющие напряжению в узле REF стать слишком высоким. В примере на Рисунке 2 с источником опорного напряжения 5 В используется стабилитрон 5.6 В.

Пример осциллограммы, показанной на Рисунке 4, демонстрирует влияние на вход опорного источника (5 В) добавления диодов Шоттки на вход АЦП при синусоидальном входном сигнале. Диоды Шоттки подключены к земле и к системной шине 5 В. Без диодов Шоттки в напряжении опорного источника образуются выбросы, когда входное напряжение становится выше опорного или ниже уровня земли на величину прямого падения на диоде. Как можно видеть, диоды полностью очистили опорное напряжение от помех.

Рисунок 4.	Здесь: желтый – вход АЦП, зеленый – вход драйвера АЦП, пурпурный  – ИОН (закрытый вход). Слева – без диодов Шоттки, справа – после добавления диодов Шоттки (BAT54S).

Необходимо обращать внимание на обратный ток утечки диодов Шоттки, поскольку в нормальном режиме работы схемы он может стать причиной искажений и нелинейности измерений. Этот обратный ток очень сильно зависит от температуры, и обычно приводится в справочных данных. Для целей защиты хорошо подходят диоды Шоттки серии BAT54, максимальный обратный ток которых равен 2 мкА при 25 °C и примерно 100 мкА при 125 °C.

Чтобы полностью решить проблему защиты от повышенных входных напряжений, можно использовать однополярное питание усилителя. Если буфер и ИОН питаются одним и тем же напряжением, это будет означать, что выходное напряжение буферного усилителя никогда не будет ниже шины земли или выше шины питания (в нашем примере это 5 В). Можно также использовать ИОН для прямого питания усилителя, если, конечно, он способен отдавать достаточный ток. Еще один способ показан на Рисунке 5, где напряжение опорного источника выбрано чуть меньшим, чем напряжение питания (4.096 В при использовании шины питания 5 В) что значительно снижает возможность перегрузки входа.

Рисунок 5.	Использование более низкого напряжения опорного источника для уменьшения перегрузки по напряжению.

Однако, позволяя решить проблему перегрузки входа по напряжению, такое решение сужает допустимый диапазон входных напряжений АЦП. Максимальные уровни выходных напряжений типичного усилителя с выходом rail-to-rail могут лишь на десятки милливольт не доходить до шин питания, но важно учитывать требования по запасу на входах в конфигурации буфера с единичным усилением, который может составлять 1 В и более. Этот подход дает решение, простое с точки зрения дополнительных элементов защиты, но зависящее от схемы источника питания и от rail-to-rail возможностей усилителя.

Для ограничения входного тока АЦП при перегрузке по напряжению может использоваться последовательное сопротивление в выходном RC-фильтре усилителя. Однако платой за это всегда будет ухудшение характеристик АЦП. Бóльшие сопротивления последовательного резистора лучше защищают вход, но одновременно снижают точность АЦП. Это может быть приемлемым компромиссом, особенно, когда полоса частот входного сигнала невелика, или АЦП не работает на максимальной скорости. Оптимальное сопротивление резистора подбирается экспериментально для каждого случая.

Из приведенных выше рассуждений можно заключить, что идеальных решений для защиты входов АЦП не существует, однако, в зависимости от требований конкретного приложения, использование отдельных индивидуальных решений или их комбинаций может обеспечить требуемый уровень защиты ценой приемлемого ухудшения общих характеристик.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD7980