使用故障保护CMOS开关的关断保护数据采集信号链

2012-02-23 17:04:44来源: ADI

电路功能与优势

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。

图1所示电路利用一个带断电保护的低导通电阻、四通道单刀单掷开关 ADG4612 ,为数据采集信号链提供保护。该数据采集系统包括低成本、精密JFET输入运算放大器ADA4000-1 ,后接一个低功耗、12位、1 MSPS SAR ADCAD7476 。该ADG4612可在仍然存在输入信号时,提供低成本的功率损耗保护和最高16V的过压故障保护。ADG4612采用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。


 
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)

电路描述

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。能否保护数据采集板关键在于ADG4612的保护功能。无电源时,即当VDD 浮空或 VDD ≤ 1 V 时,或者当输入信号VS 或 VD大于电源VDD 与阈值电压(VT)之和时,开关处于隔离模式。此类条件下,开关输入为高阻抗输入,以确保不存在可能损坏开关或下游电路的电流。负供电轨VSS可为浮空或0 V至−5.5 V。接地引脚必须连接至地电位。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+16V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。

对于标准CMOS模拟开关,其额定电源要求请参考产品数据手册,并应严格遵守,以确保器件保持最佳性能和运行状态。然而,由于电源故障、电压瞬变、时序控制不当、系统故障或用户故障等原因,不可能始终达到数据手册的要求。

标准CMOS开关的信号源、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。正常运行中,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,可能通过较大电流,这样即使关闭电源,开关也可能损坏。另外,故障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超出了该器件的绝对最大额定值。


 
图2. 标准模拟CMOS开关上的ESD保护

图3所示为标准模拟开关在施加信号而电源浮空时的性能波形。直流偏置为+3 V的6 V p-p 正弦波施加于模拟输入,后者通过内部ESD二极管,将电源供给开关以及连接至同一VDD 电源的任何其他元件。输入信号通过开关,出现在ADA4000-1的输入端,因而超过ADA4000-1的最大额定值。


 
图3.无电源的标准模拟开关

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。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。

如果超过器件的绝对最大额定值,可能会影响长期可靠性。


 
图4.过压条件下的标准模拟开关

[1] [2]

关键字:CMOS  保护  数据采集  信号链  数据转换

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0223/article_14522.html
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