ADI:用过压毛病维护模仿开关替代分立维护器材

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摘要

规划具有鲁棒性的电子电路较为困难，一般会导致具有许多 分立维护器材的规划的相关本钱添加、时刻延伸、空间扩展。 本文将评论毛病维护开关架构，及其与传统分立维护处理方 案比较的功用优势和其他长处。下文评论了一种新式开关架 构，以及供给业界抢先的毛病维护功用以及精细信号链所需 功用的专有高电压工艺。ADI的毛病维护开关和多路复用器 新式产品系列（ADG52xxF和ADG54xxF）便是选用这种技能。

高功用信号链的模仿输入维护往往令体系规划人员很头痛。 一般，需求在模仿功用（例如漏电阻和导通电阻）和维护水 平（可由分立器材供给）之间进行权衡。

用具有过电压维护功用的模仿开关和多路复用器替代分立 维护器材能够在模仿功用、鲁棒性和处理计划尺度方面供给 显着的优势。过电压维护器材坐落灵敏下流电路和遭到外部 应力的输入端之间。一个比如是进程操控信号链中的传感器 输入端。

本文具体阐明晰由过电压事情引起的问题，评论了传统分立 维护处理计划及其相关缺陷，还介绍了过电压维护模仿开关 处理计划的特性和体系优势，最终介绍了ADI业界抢先的故 障维护模仿开关产品系列。

过电压问题—回忆根底

假如施加在开关上的输入信号超越电源电压（VDD或VSS）一 个以上二极管压降，则IC内的ESD维护二极管将变成正向偏 置，并且电流将从输入信号端流至电源，如图1所示。这种 电流会损坏元件，假如不加以约束，还或许触发闩锁事情。

假如开关未上电，则或许呈现以下几种景象：

1. 假如电源起浮，输入信号或许经过ESD二极管向上对V_DD供电轨供电。这种情况下，V_DD电平会处于输入信号电压减去一个正向二极管压降的规模内。
2. I假如电源接地，PMOS器材将在负VGS下接通，开关将把 减少的信号传至输出端，这或许会损坏相同未上电的下 游器材（参见图2）。注：假如有二极管衔接至电源，它 们将发作正向偏置，把信号减少为+0.7 V。

分立维护处理计划

规划人员一般选用分立维护器材处理输入维护问题。

一般会运用大的串联电阻约束毛病期间的电流，而衔接至供 电轨的肖特基或齐纳二极管将箝位恣意过电压信号。图3所 示为多路复用信号链中这种维护计划的一个示例。

可是，运用此类分立维护器材存在许多缺陷。

1. 串联电阻会延伸多路复用器的树立时刻并缩短全体树立 时刻。
2. 维护二极管会发作额定的漏电流和不断改变的电容，从 而影响丈量成果的精度和线性度。
3. 在电源起浮情况不时没有任何维护，因为衔接至电源的 ESD二极管不会供给任何箝位维护。

传统开关架构

图4为一种传统开关架构的概览。在开关器材（在图4的右侧） 中，ESD二极管衔接至开关元件输入和输出端的供电轨。图 中还显现了外部分立维护器材—用于约束电流的串联电阻 和用于完成过电压箝位的肖特基二极管（衔接至电源）。在 严苛环境下，一般还需求运用双向TVS供给额定的维护。

毛病维护开关架构

毛病维护开关架构如图5所示。输入端的ESD二极管用双向 ESD单元替代，输入电压规模不再受衔接至供电轨的ESD二 极管约束。因而，输入端的电压或许到达工艺限值（ADI提 供的新式毛病维护开关的限值为±55 V）。

大多数情况下，ESD二极管仍然存在于输出端，因为输出端 一般不需求过电压维护。

输入端的ESD单元仍然能够供给超卓的ESD维护。运用此类 ESD单元的ADG5412F过电压毛病维护四通道SPST开关的 HBM ESD额定值可到达5.5 kV。

关于IEC ESD (IEC 61000-4-2)、EFT或浪涌维护等更严厉的情 况，或许仍然需求一个外部TVS或一个小型限流电阻。

开关的一个输入端发作过电压情况时，受影响的通道将关 闭，输入将变为高阻态。其他通道上的漏电流仍然很小，因 而其他通道能够持续正常作业，并且对功用的影响极小。几 乎不用在体系速度/功用和过电压维护之间进行退让。

因而，毛病维护开关能够大幅简化信号链处理计划。许多情 况下都需求运用限流电阻和肖特基二极管，而开关过电压保 护消除了这种需求。全体体系功用也不再受一般会引起信号 链漏电和失真的外部分立器材约束。

ADI 毛病维护开关的特性

ADI的毛病维护开关新式产品系列选用专有高电压工艺打造 而成，能够在上电和未上电情况下供给高达±55 V的过电压 维护。这些器材能够为精细信号链运用的毛病维护开关供给 业界抢先的功用。

防闩锁性

专有高电压工艺也选用了沟槽阻隔技能。各开关的NDMOS与 PDMOS晶体管之间有一个绝缘氧化物层。因而，它与结阻隔式 开关不同，晶体管之间不存在寄生结，然后按捺了一切情况下 的闩锁现象。例如，ADG5412F经过了1秒脉宽±500 mA的 JESD78D闩锁测验，这是规范中最严厉的测验。

模仿功用

新式ADI毛病维护开关不只能够完成业界抢先的鲁棒性（过 电压维护、高ESD额定值、上电时无数字输入操控时处于已 知情况），并且还具有业界抢先的模仿功用。模仿开关的性 能总是要在低导通电阻和低电容/电荷注入之间进行权衡。模 拟开关的挑选一般取决于负载是高阻抗仍是低阻抗。

低阻抗体系

低阻抗体系一般选用低导通电阻器材，其间模仿开关的导通 电阻需求坚持在最小值。在电等低阻抗体系中—例如源或增 益级—导通电阻和源阻抗与负载处于并联情况会引起增益 差错。尽管许多情况下能够对增益差错进行校准，可是信号 规模内或通道之间的导通电阻 (RON) 改变所引起的失真就 无法经过校准进行消除。因而，低阻电路更受制于因RON平 坦度和通道间的RON改变所导致的失真差错。

图7显现了一个新式毛病维护开关在信号输入规模内的导通 电阻特性。除了能够完成极低的导通电阻外，RON平整度和 通道之间的一致性也十分超卓。这些器材选用具有专利技能 的开关驱动器规划，能够保证在信号输入电压规模内VGS电 压坚持稳定然后导致平整的RON功用。权衡便是信号输入范 围略有缩小，开关导通功用完成优化，这可从RON图的形状 看出。在对RON改变或THD灵敏的运用中，这种RON功用可使 体系具有显着的优势。

ADG5404F是一款新式的具有防闩锁、过压毛病维护功用的 多路复用器。与规范器材比较，具有防闩锁功用和过电压保 护功用的器材一般具有更高的导通电阻和更差的导通电阻 平整度。可是，因为ADG5404F规划中选用了稳定VGS计划， RON平整度实际上优于ADG1404（业界抢先的低导通电阻） 和ADG5404（防闩锁，但没有过电压维护功用）。在许多应 用中，例如RTD温度丈量，RON平整度实际上比导通电阻的 肯定值更重要，因而具有毛病维护功用的模仿开关在此类系 统中具有进步其产品功用的潜力。

低阻抗体系的典型毛病形式是在发作毛病时漏极输出变成 开路。

高阻抗体系

在高阻抗体系一般选用低漏电流、低电容和低电荷注入开 关。因为多路复用器输出上的放大器负载，数据收集体系通 常具有高阻抗。

• 漏电流是高阻抗电路的首要差错来历。恣意漏电流都或许 发作显着的丈量差错。
• 低电容和低电荷注入也对快速树立至关重要。这可使数据 收集体系完成最大的数据吞吐量。

新式ADI毛病维护开关的漏电功用十分超卓。正常作业时， 漏电流处于低nA规模内，这对在许多运用中进行准确丈量至 关重要。

最重要的是，即便其间一条输入通道处于毛病情况，防漏性 能仍然十分超卓。这意味着，在修正毛病前，可持续对其他 通道进行丈量，因而体系停机时刻得以缩短。ADG5248F 8:1 多路复用器的过电压漏电流如图8所示。

高阻抗体系的典型毛病形式是在发作毛病时使漏极输出拉 至供电轨。

毛病确诊

大部分新式ADI毛病维护开关还选用了数字毛病引脚。FF引 脚是通用毛病标志，表明其间一条输入通道处于毛病情况。 特别毛病引脚（或SF引脚）可用于确诊哪一路特定输入处于 毛病情况。

这些引脚对在体系中进行毛病确诊十分有用。FF 引脚首先向 用户宣布毛病正告。随后，用户可轮询数字输入，然后SF 引脚将报出哪些特定开关或通道处于毛病情况。

体系优势

毛病维护开关新式产品系列的体系优势如图9所示。无论是 在保证精细信号链的超卓模仿功用方面，仍是在体系鲁棒性 方面，该产品系列为体系规划人员带来的优势都十分巨大。

与分立维护器材比较，其优势十分显着，这些优势已在前文 具体阐明。专有高电压工艺和新式开关架构还赋予了ADI故 障维护开关新产品系列多项优于同类处理计划的优势。

• 业界抢先的RON平整度，十分合适精细丈量
• 业界抢先的毛病漏电流，能够在未受毛病影响的其他通道 上持续作业（比同类处理计划功用好10倍）
• 器材装备副毛病电源，可完成精细毛病阈值设定，一起还 能保持超卓的模仿开关功用
• 合适体系毛病确诊的智能毛病标志

运用典范

图10所示的第一个运用典范是进程操控信号链，其间，微操控 器可监控多个传感器，例如RTD或热电偶温度传感器、压力传 感器和湿度传感器。在进程操控运用中，传感器或许衔接在工 厂中一条十分长的电缆上，整条电缆都有或许呈现毛病。

此典范选用的多路复用器是ADG5249F，该器材已针对低电 容和低漏电流进行优化。关于此类小型信号传感器丈量应 用，低漏电流十分重要。

模仿开关选用±15 V电源，一起副毛病电源设置为5 V和 GND，能够维护下流PGA和ADC。

主传感器信号经过多路复用器传至PGA和ADC，而毛病确诊 信息则直接发送至微操控器，用于在发作毛病时供给中止功 能。因而，用户可收到毛病情况的正告，并确认哪些传感器 发作毛病。然后便可派出技能人员对毛病进行调试，必要时 可替换发作毛病的传感器或电缆。

得益于业界抢先的低毛病漏电流标准，当其间一个传感器故 障、正在等候替换时，其他传感器能够持续履行监控功用。 假如没有这种低毛病漏电流，一条通道发作毛病或许导致所 有其他通道无法运用，毛病被修正后才可从头运用。

图11中的第二个运用典范是数据收集信号链的一部分，其 中，ADG5462F通道维护器可增加额定的价值。在此典范中， PGA选用±15 V供电，而下流ADC则具有0 V至5 V的输入信 号规模。

通道维护器坐落PGA 和ADC 之间。选用±15 V 作为主电源， 以取得超卓的导通电阻功用，而其副供电轨则选用0 V 和5 V 电压。正常作业时，ADG5462F 答应信号经过，但会将PGA 的一切过电压输出箝位至0 V 和5 V 之间，以维护ADC。因 此，与前面的运用典范相同，方针信号输入规模会在平整的 RON 作业区域中。

总结

用具有过电压维护功用的模仿开关和多路复用器替代传统 分立维护器材可在精细信号链中供给多项体系优势。除了节 省电路板空间外，替代分立器材的功用优势也十分显着。

ADI公司供给多种具有过电压维护功用的模仿开关和多路复 用器。表1和表2列出了最新的毛病维护器材产品系列。这些 产品系列选用专有的高电压和防闩锁工艺打造而成，能够为 精细信号链供给业界抢先的功用和特性。

产品系列汇总

表1.低导通电阻型毛病维护开关 产品 装备

表2.低电容/低电荷注入型毛病维护开关