采用遠(yuǎn)程信號(hào)源時(shí)，發(fā)生損害故障的可能性更大,。可能因系統(tǒng)電源時(shí)序控制設(shè)計(jì)不當(dāng)或系統(tǒng)要求熱插拔而導(dǎo)致過(guò)壓,。若未采取保護(hù)措施,，因連接欠佳或感性耦合導(dǎo)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(hào)而電源連接丟失時(shí),，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(gè)帶斷電保護(hù)的低導(dǎo)通電阻,、四通道單刀單擲開(kāi)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(hào)鏈" title="信號(hào)鏈">信號(hào)鏈提供保護(hù),。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括低成本,、精密JFET輸入運(yùn)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(hào)時(shí),，提供低成本的功率損耗保護(hù)和最高16V的過(guò)壓故障保護(hù)" title="故障保護(hù)">故障保護(hù),。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(dú)立的數(shù)據(jù)采集通道提供保護(hù)。
圖1.提供故障保護(hù)的數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈電路（簡(jiǎn)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(hù)的數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈,，由ADG4612、ADA4000-1和AD7476構(gòu)成,。能否保護(hù)數(shù)據(jù)采集板關(guān)鍵在于ADG4612的保護(hù)功能,。無(wú)電源時(shí)，即當(dāng)VDD 浮空或 VDD ≤ 1 V 時(shí),，或者當(dāng)輸入信號(hào)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(fù)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(hào)超過(guò)供電軌時(shí)阻止這些信號(hào),。
在斷開(kāi)條件下,，最高+16V的輸入信號(hào)電平被阻止（假設(shè)VSS = 0 V）,。當(dāng)模擬輸入信號(hào)電平超過(guò)VDD達(dá)閾值電壓VT （~1.2 V）時(shí)，開(kāi)關(guān)也會(huì)斷開(kāi),。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CMOS模擬開(kāi)關(guān),，其額定電源要求請(qǐng)參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)，并應(yīng)嚴(yán)格遵守,，以確保器件保持最佳性能和運(yùn)行狀態(tài)。然而,，由于電源故障,、電壓瞬變、時(shí)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(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求。
標(biāo)準(zhǔn)CMOS開(kāi)關(guān)" title="CMOS開(kāi)關(guān)">CMOS開(kāi)關(guān)的信號(hào)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(hù),，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(shè)計(jì),，以盡量減少泄漏電流。正常運(yùn)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(guī)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(dāng)模擬開(kāi)關(guān)輸入電壓超過(guò)電源時(shí),，這些二極管將轉(zhuǎn)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(dǎo)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?yàn)閷⑿盘?hào)施加于未供電的ADA4000-1超出了該器件的絕對(duì)最大額定值,。
圖2. 標(biāo)準(zhǔn)模擬CMOS開(kāi)關(guān)上的ESD保護(hù)
圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)在施加信號(hào)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(nèi)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(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān),，出現(xiàn)在ADA4000-1的輸入端，因而超過(guò)ADA4000-1的最大額定值,。
圖3.無(wú)電源的標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)關(guān)
標(biāo)準(zhǔn)CMOS開(kāi)關(guān)還存在另一限制因素,，即模擬信號(hào)超過(guò)電源 VDD 和 VSS時(shí)，電源被拉至故障信號(hào)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(hào)流至電源。故障信號(hào)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(duì)最大額定值，可能會(huì)影響長(zhǎng)期可靠性,。
圖4.過(guò)壓條件下的標(biāo)準(zhǔn)模擬開(kāi)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(hù)元件來(lái)避免ESD事件,。這就意味著，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(hào)，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(hù)器件和下游電路免受損壞,。
圖5.無(wú)電源的ADG4612
圖6顯示了模擬輸入端過(guò)壓故障導(dǎo)致的結(jié)果。此時(shí),，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(guò)VDD 達(dá)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(duì)下游電路造成損壞。
圖6. ADG4612上的過(guò)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(lái)自外部的信號(hào)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(qǐng)注意，AD7476的輸入范圍等于VDD,，后者同時(shí)充當(dāng)該ADC的基準(zhǔn)電壓源,。此時(shí),，輸入范圍為0 V至+3.3 V。為了在該范圍內(nèi)線性驅(qū)動(dòng)AD7476,，ADA4000-1的電源電壓必須稍高,，以便為輸出級(jí)留出充足的裕量（相對(duì)于正電源約為1.2 V，相對(duì)于負(fù)電源約為2 V）,。其實(shí)現(xiàn)方法是將ADA4000-1的正電源電壓設(shè)為+5 V,，負(fù)電源電壓設(shè)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(shù)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(dāng)接通時(shí)，各開(kāi)關(guān)在兩個(gè)方向的導(dǎo)電性能相同,，輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)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(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(dá)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(hào)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(yīng)用中,，要求用一個(gè)具有軌到軌輸入和輸出的運(yùn)算放大器為AD7476提供全輸入范圍驅(qū)動(dòng),。AD8655 運(yùn)算放大器的輸出額定驅(qū)動(dòng)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(duì)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(yùn)算放大器軌到軌問(wèn)題以及過(guò)壓保護(hù)的詳細(xì)討論,，請(qǐng)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(hào)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(hù)的數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈電路（簡(jiǎn)化示意圖：未顯示所有連接和去耦）