差分运算放大器驱动器实现高分辨率ADC输入过压保护

引言
     超低失真和噪声的高性能、全差分运算放大器是支持 高速、高性能模/数转换器(ADC)实现高分辨率和较低总谐 波失真(THD)的关键所在。运算放大器，我们在本文中简称 为驱动器，在ADC的前端执行各种操作。驱动器处理缓冲 和幅值放大，将单端输入转换为差分输出并连接到ADC的 差分输入，通过其VOCM引脚上的电压设置调节ADC的共模 输入信号以及对信号进行滤波。
本文讨论如何有效保护ADC，不被运算放大器驱动器 引起的输入过压损害。新MAX44205为180MHz、低噪声、低 失真、全差分ADC驱动器，内置箝位功能，使驱动器输出 摆幅在ADC的规定电源范围内。硬箝位电路保护ADC不受 其输入上过压的损害；驱动器和ADC之间无需附加外部分 立式元件，即可实现箝位保护。与传统的保护二极管方式相 比，该设计既节省空间又节约成本。

1 ADC输入过压保护的重要性
高性能ADC的价格较高，系统设计者必须选择能够保 护ADC不受过压损害的驱动器。当今的18位/20位ADC使用 不超过3.3V的基准电压/电源电压，但ADC驱动器通常使用±5V双电源甚至更高电压。驱动器VSS引脚的负电压用于支 持整个ADC满摆幅输入信号摆动。其中有一个问题：根据 驱动器输入信号的不同，其输出会超过ADC的输入电源。如果我们不将驱动器输出电压箝位到ADC电源电压范围之内，会永久损坏ADC。
市场上的大多数ADC的两个电压轨的输入上都有ESD保护二极管，但这些二极管不能处理大于20mA至50mA的电 流，持续时间超过几秒即会永久损坏。甚至内部ESD二极管 上较长持续时间的漏电流也会损坏二极管和ADC。大多数设计者在驱动器输出上使用齐纳二极管或肖特基 二极管，限制ADC的输入信号摆动。这种箝位方案中，需要 四个分立式二极管和限流电阻。有一种替代方案。MAX44205 为180MHz、低噪声、低失真、全差分运算放大器驱动器，内 置箝位电路，将其输出摆幅限制在ADC电源范围之内。从而 能够保护ADC不受输入过压的损害。该驱动器的箝位功能省 去了四个附加分立式元件，节省PCB空间和成本。

2 用分立式元件实现箝位
设计者利用肖特基 二极管箝位ADC的输入 电压。 这是一种不错的 方法， 因为根据通过的 电流不同， 这些二极管 的最小正向压降为大约
0.25V至0.4V。使用肖特 基二极管有另外三项重 要优点：1.) 反向漏流非 常 小 ； 2 . )  寄 生 电 容 较 小；3.) 反向恢复时间非常快。 在肖特基二极管

图1    利用肖特基二极管实现基本电压箝位的原理图

图2   使用四个外部肖特基二极管的箝位驱动器输出，保护ADC不受驱动器输出过压的损害

的三项优点中，低反向漏流和较小的寄生电容对于高精度ADC 应用非常关键。如果二极管开始箝位和退出箝位的速度非常关 键，那么第三项优点，快速反向恢复时间，就非常有用。
尽管肖特基二极管的寄生电容较小，但设计者必须选 择反向电压变化时电容变化最小的二极管。这种非线性效应 对于谐波失真非常重要的应用很关键。当箝位要求不太高时，也使用齐纳二极管进行电压箝 位。尽管可以使用，但齐纳二极管的反向漏电流较高，造成 其对ADC应用的效率较低。
图1所示为利用肖特基二极管将ADC输入箝位到预定电 压的基本方式。
图1中使用两个BAT42 Vishay ?肖特基二极管。ADC驱动 器输出超过ADC的正电源时，每路输出至正电源电压上的 两个肖特基二极管开始导通；二极管将这两个节点的电压维 持在3.3V加二极管正向压降。注意，根据二极管额定功率不 同，肖特基二极管的正向压降有所变化。所以，选择正向压
降指标较低的肖特基二极管，其正向连续电流指标要与应用相匹配。
四个电阻中，RLIMIT限制通过肖特基二 极管以及稳压器提供的3.3V电源轨的电流， RSERIES保护ADC的内部ESD保护二极管。设 计者必须调整这些电阻的大小，使电流保持 在满足具体应用的合理水平。
RLIMIT电阻也有助于减小流入到稳压器 即3.3V电源轨的电流。如果不限制该电流，稳 压器的输出电压会增大并损坏使用电路板上 相同稳压器输出的其它IC。如果您确认ADC 驱动器不会输出超过约100mA电流，有一种 替代方法。串联电阻不使用限流电阻。驱动 器和ADC之间的RC抗混叠滤波器将限制通过 外部肖特基二极管的电流，使其达到10mA左 右的合理水平。
所以同样，RLIMIT电阻有助于限制流 入3.3V电源轨的电流。此外，与肖特基二极 管电容一起，形成低通滤波器，将降低电路 带宽响应。对于需要较高带宽的ADC应用，这是一个问题，不利于ADC操作。

3 保护电路示例
外部肖特基二极管硬箝位
现在，我们介绍使用四个肖特基二极管的电路(图2)， 保护ADC免受驱动器输出过压的损害。高性能16位至20位 ADC需要低噪声、低失真驱动器，以保证输入信号的质量 以及ADC的总体转换精度。本例中，一对7.5?电阻和一个
1nF电容组成抗混叠滤波器，提供21.22 MHz截断频率。为简 洁起见，我们不讨论如何确定低通滤波器元件的大小，本文 仅限于介绍ADC的过压保护。
图2所示为MAX44206运算放大器，配置为增益等于1V/ V的差分放大器配置，±5V双电源，VOCM = 1.65V。每路输 出通过直流电平转换至1.65V，也就是ADC的中间电压，以 充分利用ADC从0V至3.3V的完整转换范围。±5V双电源使 驱动器提供在0V至3.3V整个转换范围内摆动的输出电压。驱 动器输入上使用的输入信号通常幅值相等，相差180°，以 实现最大的差分输出信号摆幅。现在，每路输出直流电平转 换至1.65V，每路输出的幅值相等，基于输入信号摆幅，分 别相差180°。