设计说明

该电路设计指导手册介绍了如何将高压放大器（例如 ±12V）连接到低压 ADC（例如 0V 至 5V）并钳制放大器的输出电压，从而保护 ADC 免受电过应力损坏。此外，本文档还介绍了保护钳位对系统性能的影响。此电路在测试和测量 以及工厂自动化与控制 中很有用。

此示例电路将 OPA828 连接至 ADS8860。OPA828 器件具有 ±12V 电源，而 ADS8860 器件具有 0V 至 5V 的输入范围。通常，放大器电源与 ADC 输入范围匹配，以防止输入过应力，但在某些情况下，将电压较高的放大器连接到低压 ADC 可能会有用。在故障情况下，当放大器的输出高于 5V 或低于地电平时，二极管 D1 和 D2 导通，并将 ADC 输入电压限制在安全水平。电阻器 Rp 限制故障条件下的输出电流。放大器反馈内部连接 Rp 电阻器，以便在正常情况下通过放大器反馈降低阻抗。将 Rp 用于反馈中可提升交流系统性能（SNR 和 THD）。这种保护方法适用于其他具有开关电容器输入的精密 SAR ADC。

设计说明

1. 为 D1 和 D2 选择了 BAT54 二极管，因为它具有较低的正向电压、低漏电流和低电容，二极管上的电容是非线性的，可能会导致失真。
2. OPA828 器件是一款高带宽 (45MHz) 精密放大器，足以驱动 16 位精密 SAR ADC ADS8860 器件。请参阅 TI 高精度实验室 – ADC 培训视频：选择和验证驱动器放大器的介绍，了解详细信息。
3. 为 C_filt 选择 C0G 型电容器，以便更大限度地减少失真。

元件选型

1. 下表列出了 OPA828 放大器的最大输出电压和电流。该表还列出了 ADS8860 ADC 的绝对最大值规格。ADC 输入电压范围设置为导通内部 ESD 二极管之前的最大电压。输入电流范围是内部 ESD 二极管可连续支持的最大电流。

   OPA828 输出		ADS8860 绝对最大额定值
   OPA828 最大输出电压：	–12V ≤ Vo< 0V	AINP 或 AINN	-0.3V	VADC_in_min
   （EOS 电压范围 - Vo）	+5V < Vo ≤ +12V	至 GND	+5.3V	VADC_in_max
   OPA828 最大输出电流：	-50mA	输入电流	-10mA	IADC_in_min
   （短路电流 - Isc）	+50mA		+10mA	IADC_in_max

2. 选择具有低正向压降、低漏电流、足够正向电流和低电容的二极管。通常使用肖特基二极管，因为其正向压降较低。有关二极管选择的详细信息以及有关过应力保护的其他信息，请参阅关于 ADC EOS 保护 的视频系列。本例选择了 BAT54 肖特基二极管，因为它具有良好的正向压降以及合理的漏电流和电容。BAT54 是实现 EOS 保护的常见选择。
3. 对于该电路，OPA828 放大器的 –12V 输出限制为 –0.42V，12V 输出则限制为 5.42V。当放大器输出为 –12V 时，Rp 上的电压最大。因此，Rp 由以下公式决定：
   
4. 以下公式中计算了电过应力故障事件期间 Rp 上的故障电流和功耗。目标是确保为电阻器 Rp 选择正确的额定功率。
   
5. 电阻器 Rfilt 充当电荷桶滤波器，并在故障情况下限制电流。首先，假设 D2 具有 0.42V 的压降，且内部 ESD 二极管具有 0.3V 的压降，从而确定 Rfilt 的最小值，以实现故障保护。根据此电压和绝对最大输入电流额定值，选择了 Rfilt 的最小值 (12Ω) 以实现电流限制。
   
6. 接下来，对 Rfilt 和 Cfilt 执行 TINA-TI 基于 SPICE 的模拟仿真程序 优化，以获得出色的稳定性能。为了进行这种优化，Rfilt 的最小值设置为 12Ω，以实现输入保护（请参阅步骤 5）。在电荷桶电路中，最终选择的 (15Ω) 和 (1.1nF) 值经过了优化，以实现出色的信号建立和交流性能。有关详细信息，请参阅 SAR ADC 前端元件选型 中介绍的方法。
7. 与 R_p 并联的电容 C_p 用于降低较高频率下保护网络 (R_p||C_p) 的交流阻抗。此值还可能会影响设计的稳定性。这个思路是将网络的截止频率设置得远低于放大器的截止频率。确切值可能不是很关键，因此我们在此舍入到 100nF 的常见标准值。另请注意，我们在本文档后面部分确认了稳定性。
   

直流传输特性

下图展示了 –40V 至 +40V 单端输入的线性输出响应。有关该主题的详细理论信息，请参阅使用仪表放大器确定 SAR ADC 的线性范围。请注意，该设计故意使用肖特基二极管将输出范围限制为 –0.42V 至 5.38V，以保护 ADS8860 器件。请注意，之所以使用肖特基二极管是因为低正向压降（通常小于 0.3V）会使得输出限值非常接近 ADC 电源电压。ADS8860 的绝对最大额定值为 –0.3V < Vin < REF +0.3V。

交流传输特性

此电路的带宽受 RC 电荷桶电路（R_filt 和 C_filt）的限制。手工计算值和仿真结果相吻合（手工计算 f_c = 4.82MHz，仿真结果 f_c = 5.08MHz）。有关该主题的更多详细信息，请观看运算放大器带宽 视频系列。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了使用 OPA828 器件稳定至 +5V 直流输入信号的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路，从而以 1MSPS 采样速率驱动 ADS8860 并满足所需的 ½LSB (38.15µV)。请参阅 SAR ADC 前端元件选型简介，了解有关此主题的详细理论。

噪声仿真

在此电路示例中，噪声主要为宽带放大器噪声，因此电阻器的影响不大。因而，此计算中忽略了电阻器的噪声：

请注意，计算结果与仿真结果匹配良好（仿真结果 = 10.05µV_RMS，如下图所示）。对于数据转换器噪声，请参阅计算 ADC 系统的总噪声。

稳定性

以下仿真显示了前面所示性能改进型解决方案的稳定性检查。该设计具有 69 度的相位裕度，表明该电路非常稳定。通常，相位裕度大于 45 度的电路被认为是稳定的。有关稳定性分析检查的更多信息，请观看运算放大器：稳定性 视频系列。

交流性能在硬件上检查

以下频谱分析是使用 PLABS-SAR-EVM-PDKTI 高精度实验室 SAR ADC 评估模块性能演示套件 (PDK) 进行测量的。包括所有保护电路在内的交流性能优于 ADS8860 16 位、1MSPS、串行接口、微功耗、微型、单端输入、SAR 模数转换器数据表中的典型规格（测得的 SNR = 93.3dB、THD = –113.7dB、ADS8860 典型值：SNR = 92dB，THD = –108dB）。

主要文件链接

德州仪器 (TI)，SBAA372 源文件，工具支持