采用遠程信號源時,，發(fā)生損害故障的可能性更大,?？赡芤蛳到y(tǒng)電源時序控制設(shè)計不當(dāng)或系統(tǒng)要求熱插拔而導(dǎo)致過壓,。若未采取保護措施，因連接欠佳或感性耦合導(dǎo)致的瞬變電壓可能會損壞元件,。另外,，在電源發(fā)生故障或者開關(guān)輸入仍然連接至模擬信號而電源連接丟失時，也可能出現(xiàn)故障,。這些故障條件可能造成重大損壞,，結(jié)果可能意味著高昂的維修成本。
圖1所示電路利用一個帶斷電保護的低導(dǎo)通電阻,、四通道單刀單擲開關(guān) ADG4612 ,，為數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集信號鏈" title="信號鏈">信號鏈提供保護。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括低成本,、精密JFET輸入運算放大器ADA4000-1 ,，后接一個低功耗、12位,、1 MSPS SAR ADCAD7476 ,。該ADG4612可在仍然存在輸入信號時，提供低成本的功率損耗保護和最高16V的過壓故障保護" title="故障保護">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,，為四個獨立的數(shù)據(jù)采集通道提供保護,。
圖1.提供故障保護的數(shù)據(jù)采集信號鏈電路（簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦）
電路描述
圖1所示為一種單通道、提供故障保護的數(shù)據(jù)采集信號鏈,，由ADG4612,、ADA4000-1和AD7476構(gòu)成。能否保護數(shù)據(jù)采集板關(guān)鍵在于ADG4612的保護功能,。無電源時,，即當(dāng)VDD 浮空或 VDD ≤ 1 V 時，或者當(dāng)輸入信號VS 或 VD大于電源VDD 與閾值電壓（VT）之和時,，開關(guān)處于隔離模式,。此類條件下，開關(guān)輸入為高阻抗輸入,，以確保不存在可能損壞開關(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(yīng)限制在供電軌之內(nèi),，以便在電源丟失或輸入信號超過供電軌時阻止這些信號,。
在斷開條件下，最高+16V的輸入信號電平被阻止（假設(shè)VSS = 0 V）,。當(dāng)模擬輸入信號電平超過VDD達閾值電壓VT （~1.2 V）時,，開關(guān)也會斷開。
對于標(biāo)準(zhǔn)CMOS模擬開關(guān),，其額定電源要求請參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊,，并應(yīng)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,、時序控制不當(dāng),、系統(tǒng)故障或用戶故障等原因，不可能始終達到數(shù)據(jù)手冊的要求,。
標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)" title="CMOS開關(guān)">CMOS開關(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,，不過一般都采用小型設(shè)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，不會通過電流,。正向偏置時,，其額定規(guī)格要求通過的電流不能大于幾mA，否則可能會損壞器件,。每當(dāng)模擬開關(guān)輸入電壓超過電源時,，這些二極管將轉(zhuǎn)為正向偏置，可能通過較大電流,，這樣即使關(guān)閉電源,，開關(guān)也可能損壞。另外,，故障導(dǎo)致的損壞并不限于開關(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2. 標(biāo)準(zhǔn)模擬CMOS開關(guān)上的ESD保護
圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)在施加信號而電源浮空時的性能波形。直流偏置為+3 V的6 V p-p 正弦波施加于模擬輸入,，后者通過內(nèi)部ESD二極管,，將電源供給開關(guān)以及連接至同一VDD 電源的任何其他元件,。輸入信號通過開關(guān)，出現(xiàn)在ADA4000-1的輸入端,，因而超過ADA4000-1的最大額定值,。
圖3.無電源的標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)
標(biāo)準(zhǔn)CMOS開關(guān)還存在另一限制因素，即模擬信號超過電源 VDD 和 VSS時,，電源被拉至故障信號的二極管壓降范圍內(nèi),。內(nèi)部二極管轉(zhuǎn)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開關(guān)并損壞下游器件，如圖4所示,。
如果超過器件的絕對最大額定值,，可能會影響長期可靠性。
圖4.過壓條件下的標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)
ADG4612可以消除上述故障影響,，它在模擬或數(shù)字輸入到 VDD 或 VSS之間未采用內(nèi)部ESD二極管,。相反，ADG4612利用其他保護元件來避免ESD事件,。這就意味著,，在功率損耗條件下或發(fā)生過壓故障時，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,，開關(guān)將進入隔離模式，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，從而有效保護器件和下游電路免受損壞,。
圖5.無電源的ADG4612
圖6顯示了模擬輸入端過壓故障導(dǎo)致的結(jié)果,。此時，直流偏置為+3 V的6 V p-p正弦波施加于ADG4612,，后者采用±3.3 V電源供電,。當(dāng)模擬輸入超過VDD 達閾值電壓VT （~1.2 V）時，開關(guān)進入隔離模式,，從而避免故障對下游電路造成損壞,。
圖6. ADG4612上的過壓條件
如圖1所示，ADG4612,、ADA4000-1和AD7476三者相結(jié)合提供一種穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集電路,，可有效應(yīng)付各種故障條件，如仍然存在來自外部的信號時發(fā)生的功率損耗故障或者模擬輸入端的過壓故障等,。
請注意,，AD7476的輸入范圍等于VDD,，后者同時充當(dāng)該ADC的基準(zhǔn)電壓源。此時,，輸入范圍為0 V至+3.3 V,。為了在該范圍內(nèi)線性驅(qū)動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）。其實現(xiàn)方法是將ADA4000-1的正電源電壓設(shè)為+5 V,，負電源電壓設(shè)為−3.3 V,。連接至AD7476輸入的兩個外部肖特基二極管可確保電源時序控制不出問題。
ADG4613同時支持SPST以外的配置,；該器件有兩個開關(guān)的數(shù)字控制邏輯與ADG4612相似,，但其他兩個開關(guān)的控制邏輯則相反。當(dāng)接通時,，各開關(guān)在兩個方向的導(dǎo)電性能相同,，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍。ADG4613為先開后合式開關(guān),，適合多路復(fù)用器應(yīng)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(fù)用器,，以適應(yīng)不同的應(yīng)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),。至少應(yīng)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(yīng)用中,，要求用一個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(qū)動。AD8655 運算放大器的輸出額定驅(qū)動電壓在各供電軌的10 mV至30 mV之內(nèi),。換言之,，在線性度受到不利影響的滿量程ADC范圍的各端存在小比例的死區(qū)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題以及過壓保護的詳細討論，請參看MT-035 和 MT-036 兩個教程。
另外注意,，ADG4612在該電路中的VSS 為 0 V,，但仍然可在整個輸入信號范圍內(nèi)維持良好的導(dǎo)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,。
圖7.單電源、提供故障保護的數(shù)據(jù)采集信號鏈電路（簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦）