Типове питання, що виникає під час розробки схем з аналого-цифровими перетворювачами - як захистити входи АЦП від надмірної напруги. Тут існує багато різних підходів і рішень. У цьому плані АЦП всіх виробників схожі один на одного. Пропонована стаття допоможе зрозуміти, що може статися коли перевантажені входи, чому виникає перевантаження і як можна виправити ситуацію.

Перевантаження входів АЦП виникає, як правило, в тих випадках, коли напруга шин живлення вхідного буферного підсилювача істотно перевищує максимально допустимий діапазон вхідних напруг АЦП, наприклад, якщо підсилювач живиться напругою ± 15 В а входи АЦП - 0 ... 5 В. Така ситуація особливо типова для промислових пристроїв, і зокрема для ПЛК, де для того, щоб обробляти стандартні вхідні сигнали ± 10 В, перед АЦП ставляться схеми нормалізації, підключені до високовольтних шин живлення. За виникненню збою в буферному підсилювачі це може призвести до пошкодження АЦП в разі перевищення гранично допустимої вхідної напруги, або до зниження точності перетворення в системах з декількома АЦП. У статті зроблено акцент на засобах захисту прецизійних АЦП послідовних наближень сімейства AD798X, проте все, що буде написано, може бути застосовано і до АЦП інших типів.

Давайте обговоримо варіант, показаний на малюнку 1.

Типовий вхідні ланцюг АЦП на прикладі мікросхемі сімейства PulSAR

Малюнок 1. Типовий вхідні ланцюг АЦП на прикладі мікросхемі сімейства PulSAR.

Схема відображає внутрішній устрій входів АЦП AD798X (скажімо, AD7980 ) сімейства PulSAR. Між входом, виводом REF опорної напруги і землею включені захисні діоди. Ці діоди, в випадку мікросхеми AD798X, здатні витримувати струми до 130 мА, але лише протягом декількох мілісекунд - не довше, і не багато разів. У деяких приладах, таких як AD768X / 9X (наприклад, AD7685 і AD7691 ) захисні діоди підключені не до REF, а до виводу живлення VDD. Напруга живлення VDD цих мікросхем завжди більша або дорівнює REF. Зазвичай такий захист працює краще, оскільки шина VDD більш стійка до відвідному струму та не настільки чутлива до перешкод.

Обмеження вихідної напруги підсилювача для захисту входу АЦП

Малюнок 2. Обмеження вихідної напруги підсилювача для захисту входу АЦП.

У схемі на малюнку 1 вивід живлення підсилювача підключений до шини +15 В, і якщо вихідний сигнал драйвера наближається до цієї напруги, діод, що захищає REF, відкривається, і підсилювач намагається підняти напругу в вузлі REF. Якщо вузол REF не буферизований досить потужною схемою драйвера, напруга на REF (і на вході) перевищить максимально допустиме значення, і, якщо воно виявиться більше пробивної напруги транзисторів мікросхеми, АЦП може вийти з ладу. Осцилограма для випадку, коли вихідна напруга драйвера АЦП на 8 В перевищує напругу опорного джерела, показана на малюнку 3. Багато прецизійних джерел опорної напруги (ДОН) не здатні прийняти вхідний струм, що для даної схеми є проблемою. Крім того, хоча буфер опорного джерела і може бути досить потужним для того, щоб підтримувати напругу на рівні, близькому до номінального значення, його точність буде втрачена.

На цих осцилограмах: жовтий - вхід АЦП, пурпурний - ДОН. Зліва - без діодів Шотткі, праворуч - з діодами Шотткі
Малюнок 3. На цих осцилограмах: жовтий - вхід АЦП, пурпурний - ДОН. Зліва - без діодів Шотткі, праворуч - з діодами Шотткі.

Це означає, що в системах з синхронної вибіркою декількох АЦП, що використовують спільне джерело опорної напруги, результати перетворення інших АЦП будуть спотворені, так як залежать від напруги прецизійного опорного джерела. Точність послідовних перетворень також може бути поганою, коли час відновлення після збою занадто великий.

Є кілька різних підходів або їх комбінацій, що дозволяють пом'якшити цю проблему. Найпоширеніший спосіб - використання діодів Шотткі (наприклад, сімейства BAT54) для обмеження вихідної напруги підсилювача до рівня, допустимого для АЦП. Написане ілюструється Малюнками 2 і 3. Можливо також використання діоди і для обмеження вхідних сигналів підсилювача, якщо це відповідає вимогам конкретного додатка.

В даному випадку обрані діоди Шотткі через їх мале пряме падіння напруги, завдяки якому вони вмикаються раніше, ніж внутрішні захисні діоди АЦП. Послідовний резистор після діодів Шотткі також допомагає обмежити вхідний струм, якщо внутрішні діоди АЦП відкриті в повному обсязі. Додатковий захист для випадку, коли ДОН не може забезпечити вхідний струм, або ж цей струм занадто малий, може надати стабілітрон або схема обмеження, яка гарантовано не дозволяє напрузі в вузлі REF стати занадто високою. У прикладі на Малюнку 2 з джерелом опорної напруги 5 В використовується стабілітрон 5.6 В.

Приклад осцилограми, показаної на малюнку 4, демонструє вплив на вхід опорного джерела (5 В) додавання діодів Шотткі на вхід АЦП за синусоїдальному вхідному сигналу. Діоди Шотткі підключені до землі і до системної шини 5 В. Без діодів Шотткі в напрузі опорного джерела утворюються викиди, коли вхідна напруга стає вище опорного або нижче рівня землі на величину прямого падіння на діоді. Як можна бачити, діоди повністю очистили опорну напругу від перешкод.

Тут: жовтий - вхід АЦП, зелений - вхід драйвера АЦП, пурпурний - ДОН (закритий вхід). Зліва - без діодів Шотткі, праворуч - після додавання діодів Шотткі (BAT54S)
Малюнок 4. Тут: жовтий - вхід АЦП, зелений - вхід драйвера АЦП, пурпурний - ДОН (закритий вхід). Зліва - без діодів Шотткі, праворуч - після додавання діодів Шотткі (BAT54S).

Необхідно звертати увагу на зворотний струм витоку діодів Шотткі, оскільки в нормальному режимі роботи схеми він може стати причиною спотворень і не лінійності вимірювань. Цей зворотний струм дуже сильно залежить від температури, і зазвичай наводиться в довідкових даних. Для цілей захисту добре підходять діоди Шотткі серії BAT54, максимальний зворотний струм яких дорівнює 2 мкА при 25 ° C і приблизно 100 мкА при 125 ° C.

Щоб повністю вирішити проблему захисту від підвищених вхідних напруг, можна використовувати однополярне живлення підсилювача. Якщо буфер і ДОН живляться одною і тією ж напругою, це буде означати, що вихідна напруга буферного підсилювача ніколи не буде нижче шини землі або вище шини живлення (в нашому прикладі це 5 В). Можна також використовувати ДОН для прямого живлення підсилювача, якщо, звичайно, він здатний віддавати достатній струм. Ще один спосіб показаний на малюнку 5, де напруга опорного джерела вибрана трохи меншою, ніж напруга живлення (4.096 В з використанням шини живлення 5 В) що значно знижує можливість перевантаження входу.

 Використання більш низької напруги опорного джерела для зменшення перевантаження по напрузі
Малюнок 5. Використання більш низької напруги опорного джерела для зменшення перевантаження по напрузі.

Однак, дозволяючи вирішити проблему перевантаження входу по напрузі, таке рішення звужує допустимий діапазон вхідних напруг АЦП. Максимальні рівні вихідної напруги типового підсилювача з виходом rail-to-rail можуть лише на десятки мілівольт не доходити до шин живлення, але важливо враховувати вимоги по запасу на входах в конфігурації буфера з одиничним посиленням, який може становити 1 В і більше. Цей підхід дає рішення, просте з точки зору додаткових елементів захисту, але залежне від схеми джерела живлення і від rail-to-rail можливостей підсилювача.
Для обмеження вхідного струму АЦП у випадках перевантаження по напрузі можливо використовувати послідовний опір у вихідному RC-фільтрі підсилювача. Однак платою за це завжди буде погіршення характеристик АЦП. Більші опори послідовного резистора краще захищають вхід, але одночасно знижують точність АЦП. Це може бути прийнятним компромісом, особливо, коли смуга частот вхідного сигналу невелика, або АЦП не працює на максимальній швидкості. Оптимальний опір резистора підбирається експериментально для кожного випадку.

З наведених вище міркувань можна зробити висновок, що ідеальних рішень для захисту входів АЦП не існує, проте, в залежності від вимог конкретного застосування, використання окремих індивідуальних рішень або їх комбінацій може забезпечити необхідний рівень захисту ціною прийнятного погіршення загальних характеристик.