Применение КМОП-ключей для защиты сигнальных цепей систем сбора данных при выключении питания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1641

проектирование

схемотехника

Применение КМОП-ключей

для защиты сигнальных цепей систем сбора данных при выключении питания

Перевод: Дмитрий ИОФФЕ

dsioffe@yandex.ru

Представляем читателям перевод статьи CN-0165 компании Analog Devices — "Power-Off Protected Data Acquisition Signal Chain Using Fault-Protected CMOS Switches".

Работа схемы и ее преимущества

Когда сигнал поступает от удаленного источника, увеличивается вероятность повреждения схемы. Из-за непродуманной последовательности подачи напряжений питания или «горячего» подключения может быть превышено допустимое напряжение сигнала. Переходные напряжения, возникающие в результате плохого соединения или индуктивной связи, могут повредить компоненты, если они не защищены. Отказ также может произойти из-за неисправности источника питания или тогда, когда питание снято, а сигналы все еще подаются. Во всех этих случаях устройство может получить серьезные повреждения, которые потребуют дорогостоящего ремонта.

Схема, показанная на рис. 1, обеспечивает защиту цепей сигналов сбора данных при помощи микросхемы ADG4612 — низкоомного 4-канального однополюсного ключа на одно направление (single-pole, single-throw, SPST) с защитой от выключения питания. Система

сбора данных состоит из ADA4000-1 — недорогого прецизионного операционного усилителя с полевыми транзисторами с р-п-переходом на входе и подключенного к его выходу AD7476 — микромощного 12-разрядного АЦП последовательного приближения с частотой 1 МГц. Ключ ADG4612 обеспечивает защиту от пропадания питания, когда выходные сигналы подключены, а также защиту от превышения напряжения до 16 В. Дополнительная площадь на печатной плате, которая потребуется для ADG4612, минимальна, так как устройство выпускается в корпусах LFCSP площадью 3x3 мм, а также в 16-выводных корпусах TSSOP. ADG4612 может защищать четыре отдельных канала сбора данных, при этом не требуются дополнительные дискретные компоненты.

Описание схемы

На рис. 1 показана схема защиты одного канала сигнальной цепи сбора данных, в которой используются ADG4612, ADA4000-1

ОСЦИЛЛОГРАФ

^ОД _ 5(НЭм

£

Синусоида 6 В р-р Постоянное смещение +3 В Частота 1 кГц

Рис. 1. Схема защиты цепи сигнала сбора данных (упрощенная схема: показаны не все соединения и развязки)

и AD7476. Защита платы сбора данных основана на защитных свойствах ADG4612. Ключ находится в изолирующем режиме в отсутствие питания, то есть когда цепь VDD не подключена или VDD < 1 В, а также если любой из сигналов или VD) больше суммы VDD и порогового напряжения Vт. При этих условиях входы ключа имеют высокий импеданс и не пропускают ток, который может повредить ключ или следующую за ним схему. Отрицательное напряжение питания, VSS, может находиться между 0 и -5,5 В. «Земляной» вывод должен быть соединен с потенциалом «земли».

Входные сигналы последующих узлов схемы, таких как ADA4000-1 или AD7476, должны находиться между напряжениями питания, так, чтобы в случае пропадания питания или при выходе сигналов за напряжения питания эти сигналы оказались заблокированы.

Когда питание на схему не подается, входные сигналы с уровнем до 16 В заблокированы (предположим, что = 0 В). Ключ также выключается, когда уровень входного аналогового сигнала превышает VDD на величину порогового напряжения Vт (~1,2 В).

Для стандартных аналоговых КМОП-ключей требования к источнику питания указаны в справочных данных, и они должны соблюдаться, чтобы устройство работало правильно и обеспечивало оптимальные параметры. Однако иногда эти условия могут быть нарушены по разным причинам: из-за отказов источника питания, переходных процессов, неправильной последовательности подачи питающих напряжений, из-за ошибок системы или ошибок оператора.

Исток, сток и логические выводы стандартных КМОП-ключей имеют защиту от статического электричества в виде фиксирующих диодов, подключенных к напряжениям питания (рис. 2). Размеры этих диодов различаются в зависимости от технологического процесса, но они должны быть как можно меньше, чтобы минимизировать токи утечки.

схемотехника

проектирование

165

При \/5 > \/м> протекает прямой ток

ПРЯМОЙ ТОК

У

т

ток

НАГРУЗКИ

Эх

-о

о

V

Рис. 2. Защита от статического электричества в стандартном КМОП-ключе

При нормальной работе эти диоды смещены в обратном направлении и не проводят ток. Они рассчитаны на токи не более нескольких миллиампер и при прямом смещении могут быть разрушены, если ток превысит расчетное значение.

Когда напряжение на входе аналогового ключа превышает напряжение питания, защитные диоды открываются, и при этом через них могут протекать большие токи. Это означает, что ключ может быть поврежден, даже если его питание выключено. Более того, поврежден может быть не только ключ, но и следующая за ним схема. Например, на ADA4000-1 нельзя подавать сигнал при выключенном питании, так как это будет означать нарушение предельно допустимых условий работы.

График на рис. 3 показывает работу стандартного аналогового ключа, когда на него подается сигнал в отсутствие питания. На аналоговый вход подано синусоидальное напряжение с размахом 6 В от пика до пика и смещением +3 В. Это напряжение поступает в цепь питания микросхемы через защитные диоды и, таким образом, питает не только ключ, но и все остальные компоненты, подключенные к этому же источнику питания VDD. Входной сигнал проходит через ключ и появляется на входе ADA4000-1, нарушая тем самым предельно допустимые условия эксплуатации этой микросхемы.

Другой недостаток стандартного аналогового ключа состоит в том, что при выходе аналогового сигнала за диапазон питающих напряжений, VDD и VSS, последний открывает защитные диоды, и ток сигнала поступает в источник питания, при этом сигнал искажается. Искаженный сигнал может также пройти через ключ и повредить следующие узлы, как показано на рис. 4.

Если нарушены предельно допустимые условия работы устройства, его надежность может снизиться.

В ADG4612 устранены перечисленные выше недостатки. В нем нет встроенных диодов для защиты от статического электричества, подключенных между аналоговыми или цифровыми входами и выводами питания VDD или Вместо них для защиты от статического электричества в ADG4612 используются другие компоненты. Это означает, что в нем нет низкоимпедансного пути прохождения сигнала в шины питания при пропадании питания или выходе напряжения сигнала за диапазон питающих напряжений. Если сигналы на входах ADG4612 выходят за диапазон питающих напряжений, ключ переходит в изолирующий режим (рис. 5). Это означает, что между входами микросхемы и выводами питания, а также ее выходами обеспечивается высокий импеданс. Он предотвращает протекание тока и защищает устройство и следующие за ним схемы от разрушения.

На рис. 6 показано превышение напряжения на аналоговом входе. Здесь синусоидальное напряжение с размахом 6 В от пика до пика и с постоянным смещением +3 В поступает на ADG4612, который

т

е>

Цепь питается входным сигналом

Аналоговый выход ЬЧ (сток)

Аналоговый вход - (исток): синусоида 1 кГц

1.00В В!И юов ИДИ 1.00В М200ц8 АСН1 _Г 460мВ П» ▼ О.ОООООтз

Рис. 3. Стандартный аналоговый ключ при отсутствии питания

ЕЭ

Е>

Аналоговый вход

(исто и

; т V г ч

Шк И и И \

¥М К §§ и

! В Ж

н ш

1.оов 1ДЯ 1.оов БЕ] 1<оов мгооцэ асн1 _г 460мв И» ▼ О.ОООООтв

Рис. 4. Превышение напряжения на входе стандартного аналогового ключа

ВЕР

Е>

шш

¡ИИ

ив»

И ПК тяяк

ШШ

1.оов 1ДЯ юов БЕ] 1<°ов мгооцэ асн1 _г 460мв И» ▼ О.ОООООтв

Рис. 5. ADG4612 при отсутствии питания

Рис. 6. Перенапряжение на входе ADG4612

питается от ±3,3 В. Когда напряжение на аналоговом входе превышает VDD на величину порогового напряжения Vт («1,2 В), ключ переходит в изолирующий режим, тем самым предотвращается повреждение последующих схем.

Комбинация из ADG4612, ADA4000-1 и AD7476, показанная на рис. 1, представляет собой схему сбора данных, устойчивую к таким воздействиям, как пропадание питания при наличии входных сигналов от внешних устройств или перенапряжениях на аналоговых входах.

Заметим, что диапазон входного сигнала AD7476 равен VDD, которое также является опорным напряжением АЦП. В этом случае диапазон его входного сигнала находится между 0 и +3,3 В. Чтобы во входном сигнале AD7476 не было нелинейных искажений, необходимо выбрать напряжение питания ADA4000-1 с запасом, чтобы обеспечить

правильную работу его выходного каскада (примерно 1,2 В относительно положительного напряжения питания и 2 В относительно отрицательного). Для этого положительное напряжение питания ADA4000-1 сделано

равным +5 В, а отрицательное--3,3 В. Два

внешних диода Шоттки, подключенных ко входу AD7476, дают нам уверенность в том, что проблем при неправильной последовательности подачи напряжений питания не будет.

Если нужен ключ не SPST, а другой конфигурации, то можно воспользоваться микросхемой ADG4613. Она содержит два ключа, подобных ADG4612, и два — с инверсными управляющими логическими входами. Оба типа ключей в замкнутом состоянии одинаково хорошо проводят в обоих направлениях, и у того и другого ключа диапазон входного сигнала превышает диапазон питающих напряжений. В ADG4613 реализо-

ОСЦИЛЛОГРАФ

Рис. 7. Схема защищенной сигнальной цепи системы сбора данных с однополярным питанием (упрощенная схема: показаны не все соединения и развязки)

Спецификации и оценочные платы:

• ADG4612/ADG4613 Data Sheet

• ADG4612 Evaluation Board

(EVAL-ADG4612EBZ)

• ADA4000-1 Data Sheet

• ADA4000-2 Data Sheet

• ADA4000-4 Data Sheet

• AD7476 Data Sheet

• AD7476 Evaluation Board

вано свойство размыкания перед замыканием для использования в мультиплексорах. Это устройство предназначено для разнообразных применений и может работать как 4-канальный SPST, сдвоенный SPDT или мультиплексор 4 в 1.

Для получения качественной работы схемы, обсуждаемой в этой статье, требуется очень хорошая техника разводки платы, заземления и развязки. Необходимо использовать как минимум 4-слойную печатную плату, в которой один слой должен быть отведен для «земли», один для питания и два — для сигналов.

Вариант схемы

На рис. 7 показан вариант схемы на рис. 1, который работает от одного источника питания +3,3 В. Здесь для подачи сигнала на вход AD7476 нужен операционный усилитель с диапазоном входного и выходного сигналов, равным диапазону напряжений питания (rail-to-rail). Выходные сигналы AD8655 могут не достигать любого из напряжений питания на величину от 10 до 30 мВ. Это означает, что будет потерян очень небольшой процент кодов на обоих концах полной шкалы АЦП.

30 мВ — это примерно 1% от входного диапазона 3,3 В. Описание операционных усилителей rail-to-rail можно найти в руководствах MT-035 и MT-036 компании Analog Devices.

Заметим также, что ADG4612 работает в этой схеме при VSS = 0 В и при этом сохраняет хорошую равномерность сопротивления во всем диапазоне входного сигнала.

AD8656 — это сдвоенная версия AD8655. В свою очередь ADA4000-2 и ADA4000-4 — это сдвоенная и счетверенная версии ADA4000-1. n

Литература

1. MT-031 Tutorial. Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND". Analog Devices.

2. MT-035 Tutorial. Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues. Analog Devices.

3. MT-036 Tutorial. Op Amp Output Phase-Reversal and Input Over-Voltage Protection. Analog Devices.

4. MT-088 Tutorial. Analog Switches and Multiplexers Basics. Analog Devices.

5. MT-101 Tutorial. Decoupling Techniques. Analog Devices.