AN-1219: 使用故障保护CMOS开关的关断保护数据采集信号链 (Rev. A)

AN-1219
应用笔记
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使用故障保护CMOS开关的关断保护数据采集信号链
电路功能与优势
电路描述
采用远程信号源时,发生损害故障的可能性更大。可能因
系统电源时序控制设计不当或系统要求热插拔而导致过
压。若未采取保护措施,因连接欠佳或感性耦合导致的瞬
变电压可能会损坏元件。另外,在电源发生故障或者开关
输入仍然连接至模拟信号而电源连接丢失时,也可能出现
故障。这些故障条件可能造成重大损坏,结果可能意味着
高昂的维修成本。
表1. 连接/参考器件
产品
ADG4612
ADA4000-1
AD7476
说明
低导通电阻、四通道SPST开关,
集成断电保护
低成本、精密JFET输入运算放大器
12位、1 MSPS SAR ADC,采用6引脚SOT-23封装
图1所示为一种单通道、提供故障保护的数据采集信号
链,由ADG4612、ADA4000-1和AD7476构成。能否保护数
图1所示电路利用一个带断电保护的低导通电阻、四通道
据采集板关键在于ADG4612的保护功能。无电源时,即当
单刀单掷开关ADG4612,为数据采集信号链提供保护。
VDD悬空或VDD ≤1 V时,或者当输入信号VS或VD大于电源VDD
该数据采集系统包括低成本、精密JFET输入运算放大器
与阈值电压(VT)之和时,开关处于隔离模式。此类条件
ADA4000-1,后接一个低功耗、12位、1 MSPS SAR ADC
下,开关输入为高阻抗输入,以确保不存在可能损坏开关
AD7476。该ADG4612可在断电却仍存在输入信号时,提
或下游电路的电流。负供电轨VSS可为悬空或0 V至−5.5 V。
供低成本的、最高16V的过压故障保护。ADG4612采用
接地引脚必须连接至地电位。
3 mm × 3 mm LFCSP和16引脚TSSOP两种封装,需要增加的
额外电路板面积很小。ADG4612可在不增加任何分离器件
的条件下,为四个独立的数据采集通道提供保护。
下游元件(如ADA4000-1或AD7476)的输入应限制在供电轨
之内,以便在电源丢失或输入信号超过供电轨时阻止这些
信号。
在断开条件下,最高16 V的输入信号电平被阻止(假设VSS =
0 V)。当模拟输入信号电平超过VDD达阈值电压VT (~1.2 V)
时,开关也会断开。
OSCILLOSCOPE
SOURCE
DRAIN
+3.3V
+3.3V
+5V
RS
50Ω
6V p-p SINE WAVE
+3V DC OFFSET
FREQUENCY = 1kHz
IN1
S1
VDD
D1
VDD
V+
ADA4000-1
AD7476
ADG4612
4 × SPST
GND VSS
–3.3V
ADC
V–
VSS
–3.3V
INPUT RANGE =
0V TO +3.3V
图1. 提供故障保护的数据采集信号链电路(简化示意图:未显示所有连接和去耦)
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09101-001
INPUT
AN-1219
对于标准CMOS模拟开关,其额定电源要求请参考产品数
图3所示为标准模拟开关在施加信号而电源悬空时的性能
据手册,并应严格遵守,以确保器件保持最佳性能和运行
波形。直流偏置为3 V的6 V p-p 正弦波施加于模拟输入,则
状态。然而,由于电源故障、电压瞬变、时序控制不当、
反过来通过内部ESD二极管,将电源供给开关以及连接至
系统故障或用户故障等原因,不可能始终达到数据手册的
同一VDD电源的任何其他元件。输入信号通过开关,出现在
要求。
ADA4000-1的输入端,因而超过ADA4000-1的最大额定值。
标准CMOS开关的源极、漏极和逻辑引脚均以电源箝位二
极管的形式提供了ESD保护,如图2所示。这些二极管的尺
6V
FLOATING VDD PULLED
HIGH BY SIGNAL INPUT
寸因工艺而异,不过一般都采用小型设计,以尽量减少泄
漏电流。正常工作时,这些二极管均为反向偏置,不会通
过电流。正向偏置时,其额定规格要求通过的电流不能大
ANALOG
OUTPUT
(DRAIN)
于几mA,否则可能会损坏器件。每当模拟开关输入电压
超过电源时,这些二极管将转为正向偏置,可能通过较大
0V
电流,这样即使关闭电源,开关也可能损坏。另外,故障
09101-003
ANALOG INPUT
(SOURCE):
1kHz SINE WAVE
导致的损坏并不限于开关,而且也可能影响到下游电路,
如ADA4000-1,因为将信号施加于未供电的ADA4000-1超
CH1 1.00V CH2 1.00V CH3 1.00V M200µs
A CH1
T
0.00000ms
出了该器件的绝对最大额定值。
图3. 无电源的标准模拟开关
VDD
VS > VD
FORWARD
CURRENT
FLOWS
460mV
标准CMOS开关还存在另一限制因素,即模拟信号超过电
源VDD和VSS时,电源被拉至故障信号的二极管压降范围内。
LOAD
CURRENT
FORWARD
CURRENT
Sx
内部二极管转为正向偏置,电流从输入信号流至电源。故
障信号也可能通过开关并损坏下游器件,如图4所示。
Dx
如果超过器件的绝对最大额定值,可能会影响长期可靠性。
RS
RL
VS
GND
VSS
ANALOG INPUT
(SOURCE):
1kHz SINE WAVE
09101-031
6V
图2. 标准模拟CMOS开关上的ESD保护
3.3V
ANALOG
OUTPUT
(DRAIN)
VDD
09101-004
0V
CH1 1.00V CH2 1.00V CH3 1.00V M200µs
A CH1
T
0.00000ms
图4. 过压条件下的标准模拟开关
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460mV
AN-1219
ADG4612可以消除上述故障影响,它在模拟或数字输入到
如图1所示,ADG4612、ADA4000-1和AD7476三者相结合
VDD或VSS之间未采用内部ESD二极管。相反,ADG4612利
提供一种稳定的数据采集电路,可有效应付各种故障条
用其他保护元件来避免ESD事件。这就意味着,在掉电条
件,如在掉电时仍然存在来自外部的信号或者模拟输入端
件下或发生过压故障时,不存在至电源的低阻抗路径。如
的过压故障等。
果ADG4612输入信号存在于上电之前,开关将进入隔离模
式,即输入端具有至VDD、GND和输出的高阻抗路径。这样
可防止电流流动,从而有效保护器件和下游电路免受损坏。
请注意,AD7476的输入范围等于VDD,该电压同时充当该
ADC的基准电压源。此时,输入范围为0 V至3.3 V。为了在
该范围内线性驱动AD7476,ADA4000-1的电源电压必须稍
高,以便为输出级留出充足的裕量(相对于正电源约为1.2 V,
相对于负电源约为2 V)。其实现方法是将ADA4000-1的正电
6V
ANALOG INPUT
(SOURCE):
1kHz SINE WAVE
源电压设为+5 V,负电源电压设为−3.3 V。连接至AD7476输
入的两个外部肖特基二极管可确保电源时序控制不出问题。
3.3V
ADG4613同时支持SPST以外的配置;该器件有两个开关的
ANALOG
OUTPUT
(DRAIN)
数字控制逻辑与ADG4612相似,但其他两个开关的控制逻
辑则相反。当接通时,各开关在两个方向的导电性能相
0V
同,输入信号范围可扩展至电源电压范围。ADG4613为先
VDD
09101-005
开后合式开关,适合多路复用器应用。该器件可配置为四
CH1 1.00V CH2 1.00V CH3 1.00V M200µs
A CH1
T
0.00000ms
通道单刀单掷、双通道单刀双掷或4:1的多路复用器,以适
460mV
应不同的应用。
图5. 无电源的ADG4612
图6显示了模拟输入端过压故障导致的结果。此时,直流偏
置为3 V的6 V p-p正弦波施加于ADG4612,同时采用±3.3 V
电源供电。当模拟输入超过VDD达阈值电压VT (~1.2 V)时,
开关进入隔离模式,从而避免故障对下游电路造成损坏。
为了使本文所讨论的电路达到理想的性能,必须采用出色
的 布 局 、 接 地 和 去 耦 技 术 (请 参 考 指 南 MT-031和 指 南
MT-101)。至少应采用四层PCB:一层为接地层,一层为
电源层,另两层为信号层。
常见变化
图7所示为图1中电路的一种变化形式,以3.3 V单电源供电。
ANALOG INPUT
(SOURCE):
1kHz SINE WAVE
6V
在该应用中,要求用一个具有轨到轨输入和输出的运算放
大器为AD7476提供全输入范围驱动。AD8655运算放大器
的输出额定驱动电压在各供电轨的10 mV至30 mV之内。换
3.3V
ANALOG
OUTPUT
(DRAIN)
言之,在线性度受到不利影响的满量程ADC范围的各端存
VDD
在小比例的死区编码。
对于30 mV的裕量要求,该比例约为3.3 V输入范围的1%。
09101-006
0V
CH1 1.00V CH2 1.00V CH3 1.00V M200µs
A CH1
T
0.00000ms
图6. ADG4612上的过压条件
460mV
有关运算放大器轨到轨问题以及过压保护的详细讨论,请
参看指南MT-035和指南MT-036。
另外注意,ADG4612在该电路中的VSS为0 V,但仍然可在整
个输入信号范围内维持良好的导通电阻平坦度。
AD8656是AD8655的双通道版本。ADA4000-2和ADA4000-4
分别为ADA4000-1的双通道和四通道版本。
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AN-1219
OSCILLOSCOPE
SOURCE
DRAIN
+3.3V
+3.3V
+3.3V
RS
50Ω
IN1
VDD
S1
6V p-p SINE WAVE
+3V DC OFFSET
FREQUENCY = 1kHz
D1
V+
VDD
AD8655
AD7476
ADG4612
4 × SPST
GND VSS
ADC
V–
INPUT RANGE =
0V TO +3.3V
09101-007
INPUT
图7. 单电源、提供故障保护的数据采集信号链电路(简化示意图:未显示所有连接和去耦)
了解详情
数据手册和评估板
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of "AGND" and "DGND," Analog Devices.
ADG4612/ADG4613 Data Sheet
MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and
Rail-to-Rail Issues, Analog Devices.
ADA4000-1 Data Sheet
MT-036 Tutorial, Op Amp Output Phase-Reversal and Input
Over-Voltage Protection, Analog Devices.
ADA4000-4 Data Sheet
MT-088 Tutorial, Analog Switches and Multiplexers Basics,
Analog Devices.
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices.
ADG4612 Evaluation Board (EVAL-ADG4612EBZ)
ADA4000-2 Data Sheet
AD7476 Data Sheet
AD7476 Evaluation Board
修订历史
2013年4月—修订版0至修订版A
文档标题从CN-0165更改为AN-1219 .................................... 通篇
2011年1月—修订版0:初始版
©2011–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
D09101sc-0-4/13(A)
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