使用故障保護CMOS開(kāi)關(guān)的關(guān)斷保護數據采集信號鏈

電路功能與優(yōu)勢

采用遠程信號源時(shí)，發(fā)生損害故障的可能性更大?？赡芤蛳到y電源時(shí)序控制設計不當或系統要求熱插拔而導致過(guò)壓。若未采取保護措施，因連接欠佳或感性耦合導致的瞬變電壓可能會(huì )損壞元件。另外，在電源發(fā)生故障或者開(kāi)關(guān)輸入仍然連接至模擬信號而電源連接丟失時(shí)，也可能出現故障。這些故障條件可能造成重大損壞，結果可能意味著(zhù)高昂的維修成本。

圖1所示電路利用一個(gè)帶斷電保護的低導通電阻、四通道單刀單擲開(kāi)關(guān) ADG4612 ，為數據采集信號鏈提供保護。該數據采集系統包括低成本、精密JFET輸入運算放大器ADA4000-1 ，后接一個(gè)低功耗、12位、1 MSPS SAR ADCAD7476 。該ADG4612可在仍然存在輸入信號時(shí)，提供低成本的功率損耗保護和最高16V的過(guò)壓故障保護。ADG4612采用3 mm × 3 mm LFCSP和16引腳TSSOP兩種封裝，需要增加的額外電路板面積很小。ADG4612可在不增加任何分離器件的條件下，為四個(gè)獨立的數據采集通道提供保護。

電路描述

圖1所示為一種單通道、提供故障保護的數據采集信號鏈，由ADG4612、ADA4000-1和AD7476構成。能否保護數據采集板關(guān)鍵在于A(yíng)DG4612的保護功能。無(wú)電源時(shí)，即當VDD 浮空或 VDD ≤ 1 V 時(shí)，或者當輸入信號VS 或 VD大于電源VDD 與閾值電壓(VT)之和時(shí)，開(kāi)關(guān)處于隔離模式。此類(lèi)條件下，開(kāi)關(guān)輸入為高阻抗輸入，以確保不存在可能損壞開(kāi)關(guān)或下游電路的電流。負供電軌VSS可為浮空或0 V至−5.5 V。接地引腳必須連接至地電位。下游元件（如ADA4000-1或AD7476）的輸入應限制在供電軌之內，以便在電源丟失或輸入信號超過(guò)供電軌時(shí)阻止這些信號。

在斷開(kāi)條件下，最高+16V的輸入信號電平被阻止（假設VSS = 0 V）。當模擬輸入信號電平超過(guò)VDD達閾值電壓VT (~1.2 V)時(shí)，開(kāi)關(guān)也會(huì )斷開(kāi)。

對于標準CMOS模擬開(kāi)關(guān)，其額定電源要求請參考產(chǎn)品數據手冊，并應嚴格遵守，以確保器件保持最佳性能和運行狀態(tài)。然而，由于電源故障、電壓瞬變、時(shí)序控制不當、系統故障或用戶(hù)故障等原因，不可能始終達到數據手冊的要求。

標準CMOS開(kāi)關(guān)的信號源、漏極和邏輯引腳均以電源箝位二極管的形式提供了ESD保護，如圖2所示。這些二極管的尺寸因工藝而異，不過(guò)一般都采用小型設計，以盡量減少泄漏電流。正常運行中，這些二極管均為反向偏置，不會(huì )通過(guò)電流。正向偏置時(shí)，其額定規格要求通過(guò)的電流不能大于幾mA，否則可能會(huì )損壞器件。每當模擬開(kāi)關(guān)輸入電壓超過(guò)電源時(shí)，這些二極管將轉為正向偏置，可能通過(guò)較大電流，這樣即使關(guān)閉電源，開(kāi)關(guān)也可能損壞。另外，故障導致的損壞并不限于開(kāi)關(guān)，而且也可能影響到下游電路，如ADA4000-1，因為將信號施加于未供電的ADA4000-1超出了該器件的絕對最大額定值。

圖3所示為標準模擬開(kāi)關(guān)在施加信號而電源浮空時(shí)的性能波形。直流偏置為+3 V的6 V p-p 正弦波施加于模擬輸入，后者通過(guò)內部ESD二極管，將電源供給開(kāi)關(guān)以及連接至同一VDD 電源的任何其他元件。輸入信號通過(guò)開(kāi)關(guān)，出現在A(yíng)DA4000-1的輸入端，因而超過(guò)ADA4000-1的最大額定值。

標準CMOS開(kāi)關(guān)還存在另一限制因素，即模擬信號超過(guò)電源 VDD 和 VSS時(shí)，電源被拉至故障信號的二極管壓降范圍內。內部二極管轉為正向偏置，電流從輸入信號流至電源。故障信號也可能通過(guò)開(kāi)關(guān)并損壞下游器件，如圖4所示。

如果超過(guò)器件的絕對最大額定值，可能會(huì )影響長(cháng)期可靠性。

ADG4612可以消除上述故障影響，它在模擬或數字輸入到 VDD 或 VSS之間未采用內部ESD二極管。相反，ADG4612利用其他保護元件來(lái)避免ESD事件。這就意味著(zhù)，在功率損耗條件下或發(fā)生過(guò)壓故障時(shí)，不存在至電源的低阻抗路徑。如果ADG4612輸入在有電源之前存在信號，開(kāi)關(guān)將進(jìn)入隔離模式，即輸入端具有至VDD、GND和輸出的高阻抗路徑。這樣可防止電流流動(dòng)，從而有效保護器件和下游電路免受損壞。

圖6顯示了模擬輸入端過(guò)壓故障導致的結果。此時(shí)，直流偏置為+3 V的6 V p-p正弦波施加于A(yíng)DG4612，后者采用±3.3 V電源供電。當模擬輸入超過(guò)VDD 達閾值電壓VT (~1.2 V)時(shí)，開(kāi)關(guān)進(jìn)入隔離模式，從而避免故障對下游電路造成損壞。

如圖1所示，ADG4612、ADA4000-1和AD7476三者相結合提供一種穩定的數據采集電路，可有效應付各種故障條件，如仍然存在來(lái)自外部的信號時(shí)發(fā)生的功率損耗故障或者模擬輸入端的過(guò)壓故障等。

請注意，AD7476的輸入范圍等于VDD，后者同時(shí)充當該ADC的基準電壓源。此時(shí)，輸入范圍為0 V至+3.3 V。為了在該范圍內線(xiàn)性驅動(dòng)AD7476，ADA4000-1的電源電壓必須稍高，以便為輸出級留出充足的裕量（相對于正電源約為1.2 V，相對于負電源約為2 V）。其實(shí)現方法是將ADA4000-1的正電源電壓設為+5 V，負電源電壓設為−3.3 V。連接至AD7476輸入的兩個(gè)外部肖特基二極管可確保電源時(shí)序控制不出問(wèn)題。

ADG4613同時(shí)支持SPST以外的配置；該器件有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的數字控制邏輯與ADG4612相似，但其他兩個(gè)開(kāi)關(guān)的控制邏輯則相反。當接通時(shí)，各開(kāi)關(guān)在兩個(gè)方向的導電性能相同，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍。ADG4613為先開(kāi)后合式開(kāi)關(guān)，適合多路復用器應用。該器件可配置為四通道單刀單擲、雙通道單刀雙擲或4:1的多路復用器，以適應不同的應用。

為了使本文所討論的電路達到理想的性能，必須采用出色的布局、接地和去耦技術(shù)（請參考教程MT-031 和 教程MT-101）。至少應采用四層PCB：一層為接地層，一層為電源層，另兩層為信號層。

常見(jiàn)變化

圖7所示為圖1中電路的一種變化形式，以+ 3.3 V單電源供電。在該應用中，要求用一個(gè)具有軌到軌輸入和輸出的運算放大器為AD7476提供全輸入范圍驅動(dòng)。AD8655 運算放大器的輸出額定驅動(dòng)電壓在各供電軌的10 mV至30 mV之內。換言之，在線(xiàn)性度受到不利影響的滿(mǎn)量程ADC范圍的各端存在小比例的死區編碼。

對于30 mV的裕量要求，該比例約為3.3V輸入范圍的1%。有關(guān)運算放大器軌到軌問(wèn)題以及過(guò)壓保護的詳細討論，請參看MT-035 和 MT-036 兩個(gè)教程。

另外注意，ADG4612在該電路中的VSS 為 0 V，但仍然可在整個(gè)輸入信號范圍內維持良好的導通電阻平坦度。

AD8656 是AD8655的雙通道版本。ADA4000-2和ADA4000-4 分別為ADA4000-1的雙通道和四通道版本。