بررسی روش‌های حفاظت ورودی ADC در برابر اضافه ولتاژ

مقدمه و منابع مقاله

در طراحی سیستم‌های الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال، حفاظت از پین‌های ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) در برابر شرایط اضافه‌ولتاژ (Overvoltage) و جریان‌های ناخواسته، یکی از کلیدی‌ترین مراحل برای تضمین پایداری سیستم، طول عمر قطعات و حفظ دقت اندازه‌گیری است. این نوشتار با هدف انتقال دانش کاربردی به جامعه سخت‌افزار متن‌باز، بر پایه تحلیل، تشریح و ترجمه بخش‌های کلیدی گزارش فنی و کاربردی شرکت Texas Instruments با شناسه SLAA593 تدوین شده است.

بخش عمده‌ای از محتوای این مقاله به‌ویژه توضیح ساختارهای حفاظتی، پیکربندی مدارها و تصاویر پیشنهادی مستقیماً از این سند مرجع اقتباس شده‌اند تا راهکارهای ارائه‌شده توسط TI به صورت عملی و قابل استفاده در اختیار طراحان قرار گیرد.

ورودی‌های مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) در صورتی که تحت سیگنال‌هایی فراتر از محدوده ولتاژ ورودی مشخص‌شده در پارامترهای الکتریکی قطعه قرار گیرند، آسیب می‌بینند. این ورودی‌ها باید همواره (هم در وضعیت روشن بودن مدار و هم در حالت خاموش بودن تغذیه) محافظت شوند تا از آسیب به ADC جلوگیری شود. خسارت ناشی از این فشار اعمالی بیش از حد (Overstress) می‌تواند فاجعه‌بار باشد؛ به این معنی که یا تراشه ADC به طور کامل از کار می‌افتد، یا دچار افت عملکردی می‌شود که سیستم دیگر قادر به دستیابی به مشخصات فنی مورد انتظار نخواهد بود.

روش‌های حفاظتی که در ادامه بررسی می‌شوند، برای ADCهایی کاربرد دارند که بخش ابتدایی (Front-end) آن‌ها یک بلوک نمونه‌بردار و نگهدارنده (Sample and Hold) است یا حداکثر محدوده ولتاژ ورودی مجاز آن‌ها توسط ولتاژ تغذیه آنالوگ محدود می‌شود. البته برخی از ADCهای موجود در بازار می‌توانند ولتاژهای ورودی بالاتر از ولتاژ تغذیه آنالوگ را نیز تحمل کنند؛ این قطعات از ترکیب مقاومتی در ورودی برای انتقال سطح (Level shift) ولتاژ واقعی ورودی ADC استفاده می‌کنند. برای راه‌اندازی این دسته از ورودی‌ها، توصیه می‌شود از یک بافر تقویت‌کننده عملیاتی (Op-Amp Buffer) استفاده شود و منبع تغذیه این بافر نیز باید در محدوده حداکثر مقادیر نامی مجاز (Absolute Maximum Ratings) ورودی ADC قرار داشته باشد.

استفاده از منبع تغذیه تقویت‌کننده عملیاتی (Op-Amp)

در اکثر طراحی‌ها، پیش از ورودی مبدل ADC، یک بلوک تقویت‌کننده عملیاتی (Operational Amplifier) قرار می‌گیرد. یکی از ساده‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای محافظت از ورودی ADC این است که بررسی کنیم آیا امکان دارد اپ‌امپ را دقیقاً با همان منبع تغذیه‌ای که ADC از آن استفاده می‌کند، راه‌اندازی کرد یا خیر.

در این پیکربندی، با توجه به اینکه ولتاژ خروجی اپ‌امپ محدود به ریل‌های تغذیه‌ی آن است، زمانی که سیگنال ورودی بیش از حد بزرگ شود، خروجی اپ‌امپ در نزدیکی ولتاژ تغذیه اشباع (Saturate) شده و به این ترتیب، ولتاژ اعمالی به ورودی ADC هرگز از محدوده تغذیه آن فراتر نخواهد رفت. این روش ساده‌ترین راه برای تضمین ایمنی ورودی‌هاست، زیرا به صورت ذاتی از بروز شرایط اضافه‌ولتاژ جلوگیری می‌کند. (نمای شماتیک این چیدمان در شکل ۱ نشان داده شده است).

تصویر 1: مدار روش معرفی شده

محافظت ورودی با استفاده از کلمپ (Clamp Diodes)

این روش محافظتی زمانی مناسب است که سیگنال مستقیماً به ورودی ADC متصل شده باشد، یا زمانی که مدارهای شرطی‌سازی یا تقویت‌کننده‌ی ورودی با ولتاژهایی بالاتر از تغذیه آنالوگ ADC کار می‌کنند؛ در چنین شرایطی احتمال عبور ولتاژ ورودی از محدوده مجاز ADC بیشتر است.

در بسیاری از ADCها، در ورودی دیودهای داخلی کلمپ وجود دارد که وقتی ولتاژ ورودی از ریل‌های تغذیه فراتر می‌رود، شروع به هدایت کرده و عملاً ورودی را به ریل‌ها کلمپ می‌کنند. اما این دیودهای داخلی معمولاً برای جریان‌های بزرگ و هدایت پیوسته در زمان طولانی طراحی نشده‌اند. به همین دلیل، در روش کلمپ خارجی، ساختاری مشابه دیودهای داخلی ADC با دیودهای کلمپ خارجی پیاده‌سازی می‌شود؛ دیودهایی که توانایی تحمل جریان پیوسته‌ی بالاتر را دارند و می‌توانند از وارد شدن استرس مستقیم به ورودی ADC جلوگیری کنند.

قرار دادن این کلمپ‌ها بعد از فیلتر RC ضد-علیاسینگ (Anti-aliasing) یک مزیت اضافی ایجاد می‌کند: مقاومت سری موجود در فیلتر نقش محدودکننده جریان را بازی می‌کند و اگر ولتاژ ورودی از محدوده مجاز عبور کند، جریان عبوری از مسیر کلمپ را کاهش می‌دهد. حتی در حالتی که جریان خطا بیش از حد زیاد باشد، این مقاومت به دلیل اتلاف حرارتی ممکن است آسیب ببیند و عملاً مانند یک «فیوز ضعیف» عمل کند؛ یعنی با فدا شدن خود، از دیودهای کلمپ و خود ADC محافظت می‌کند.

تصویر 2 :‌ محافظت ورودی با استفاده از کلمپ (Clamp Diodes)

در انتخاب دیودهای حفاظتی کلمپ، علاوه بر افت ولتاژ مستقیم، باید به جریان نشتی، ظرفیت پیوندی و جریان مجاز نیز توجه شود. دیودهای شاتکی به دلیل افت ولتاژ مستقیم کم، گزینه‌ای مناسب برای این کاربرد هستند و سری BAT54 از نمونه‌های پرکاربرد در مدارهای حفاظتی ورودی محسوب می‌شود.

استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی با کلمپ خروجی (Output Limiting)

در مدارهای حفاظتی مبتنی بر دیود کلمپ، یکی از پارامترهای مهمی که باید به آن توجه شود، زمان بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time) دیود است. هنگامی که ورودی ADC پس از یک وضعیت اضافه‌تحریک (Overdrive) دوباره به محدوده‌ی عادی بازمی‌گردد، انتظار می‌رود دیودهای کلمپ نیز بلافاصله از حالت هدایت خارج شوند تا عملکرد عادی مدار بدون تأخیر از سر گرفته شود. اما در عمل، دیود در بازه‌ی زمانی بازیابی معکوس همچنان برای مدت کوتاهی در حالت هدایت باقی می‌ماند و این موضوع می‌تواند باعث اختلال در بازگشت سریع سیگنال به شرایط نرمال شود.

در کاربردهایی که سرعت بازیابی بالا اهمیت زیادی دارد، یکی از راهکارهای مناسب استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی دارای کلمپ خروجی قابل تنظیم است. این دسته از اپ‌امپ‌ها می‌توانند سطح خروجی را پیش از رسیدن به محدوده‌ی خطرناک محدود کنند و در عین حال، زمان بازیابی بسیار کوتاهی در شرایط اضافه‌تحریک داشته باشند. برای مثال، OPA698 یکی از این قطعات است که با زمان بازیابی فوق سریع در حد ۱ نانوثانیه و پهنای باند کاری بالا، گزینه‌ای مناسب برای درایو کردن ADC در کاربردهای پرسرعت به شمار می‌رود. نمونه‌ی پیکربندی این قطعه در کنار مبدل ADS822 در شکل ۳ مقاله مرجع نشان داده شده است.

تصویر 3 : درایور ورودی ADC با محدودسازی (Limiting) و تغذیه تک‌منبع (Single-Supply)

مکانیزم عملکرد و مزیت کلمپ خروجی نسبت به کلمپ ورودی

مکانیزم محدودسازی در این اپ‌امپ‌ها به این صورت عمل می‌کند که طراح با اعمال ولتاژهای مرجع به دو پایه‌ی (محدودکننده‌ی پایین یا Low Limit) و (محدودکننده‌ی بالا یا High Limit)، محدوده مجاز خروجی را تعریف می‌کند. در این حالت، خروجی اپ‌امپ همواره بین این دو مقدار و  کلمپ و محدود می‌شود و به این ترتیب، ولتاژهای خارج از این بازه هرگز به ورودی حساس ADC راه پیدا نخواهند کرد.

در کلمپ‌های دیودی معمولی، پارامتری مثل زمان بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time) می‌تواند باعث شود دیود پس از برگشت سیگنال به محدوده نرمال، برای مدت کوتاهی همچنان در حالت هدایت باقی بماند و بازگشت سریع سیگنال را مختل کند. علاوه بر این، از آنجا که عملکرد محدودسازی در خروجی این اپ‌امپ‌ها پیاده‌سازی شده است، دقت کلمپ‌کردن برای هر مقدار بهره‌ای (Gain) حفظ می‌شود که این موضوع یک برتری مهم نسبت به روش‌های کلمپ در ورودی است.

معرفی OPA698 و معماری محدودسازی خروجی (Output Limiting)

OPA698 یک تقویت‌کننده عملیاتی پهن‌باند از نوع فیدبک ولتاژی (Voltage-Feedback Op Amp) است که در بهره واحد (Unity-Gain Stable) نیز پایدار بوده و قابلیت محدودسازی دو‌قطبیِ ولتاژ خروجی (Bipolar Output Voltage Limiting) را ارائه می‌دهد. در این قطعه، دو ولتاژ محدودکننده (بالا و پایین) به صورت بافرشده به مدار محدودساز اعمال می‌شوند؛ به این معنا که هر زمان خروجی اپ‌امپ تلاش کند از این آستانه‌ها فراتر رود، سطوح محدودکننده کنترل خروجی را در دست گرفته و خروجی را در محدوده‌ی تعریف‌شده نگه می‌دارند.

یکی از مزیت‌های مهم این معماری جدید محدودسازی خروجی در OPA698، خطای آفست بسیار پایین محدودساز است؛ به‌طوری‌که آفست limiter در حدود ±5 میلی‌ولت نگه داشته می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود محدودسازی خروجی علاوه بر نقش حفاظتی، کمترین اثر نامطلوب را بر دقت سیگنال—خصوصاً در کاربردهای درایو ADCداشته باشد.

ویژگی‌های عملکردی OPA698 در کاربردهای حفاظتی

یکی از ویژگی‌های مهم OPA698 این است که تقویت‌کننده تا حدود 20 میلی‌ولت مانده به سطوح محدودکننده خروجی همچنان در ناحیه‌ی خطی عمل می‌کند. ترکیب این ناحیه‌ی غیرخطی بسیار باریک با آفست کم محدودکننده باعث می‌شود بتوان ولتاژهای limit را با فاصله‌ای در حدود 100 میلی‌ولت از محدوده‌ی خطی مورد نظر تنظیم کرد، بدون آن‌که دقت عملکرد عادی مدار به‌طور محسوسی تحت تأثیر قرار گیرد. این ویژگی در کاربردهایی مانند درایو ورودی ADC اهمیت زیادی دارد، زیرا طراح می‌تواند محدوده‌ی مجاز خروجی را با دقت مناسبی نزدیک به بازه‌ی قابل قبول ADC تعریف کند.

مزیت مهم دیگر این قطعه، زمان بازیابی بسیار سریع در حدود 1 نانوثانیه پس از خروج از حالت limiting است. به همین دلیل، رخدادهای اضافه‌تحریک (Overdrive) اثر ماندگار قابل توجهی روی مسیر سیگنال باقی نمی‌گذارند و می‌توان آن‌ها را تا حد زیادی برای کانال اندازه‌گیری «شفاف» در نظر گرفت. از آنجا که عملکرد محدودسازی در خروجی اپ‌امپ پیاده‌سازی شده است، دقت limiting برای هر مقدار بهره حفظ می‌شود؛ این موضوع برتری مهمی نسبت به روش‌هایی است که محدودسازی را در ورودی انجام می‌دهند. در نتیجه، OPA698 را می‌توان در بسیاری از کاربردهای متداول اپ‌امپ، بدون از دست دادن دقت محدودسازی، به کار گرفت.

این گذار سریع و مشخص از ناحیه‌ی خطی به ناحیه‌ی محدودسازی، OPA698 را برای پردازش غیرخطی سیگنال‌های آنالوگ و همچنین کاربردهای پرسرعت مناسب می‌سازد. این قطعه در پکیج استاندارد SOIC-8 عرضه می‌شود.

جمع بندی

حفاظت از ورودی‌های ADC به عنوان یکی از اجزای کلیدی سیستم‌های اخذ داده (Data Acquisition) در برابر تمامی سناریوهای محتمل ورودی، یک ضرورت طراحی است. روش‌هایی که در این مقاله مطرح شد، چارچوبی عملی برای طراحی مدارهایی فراهم می‌کند که در برابر نوسانات ناخواسته و شرایط اضافه‌ولتاژ، مقاوم‌تر بوده و احتمال آسیب‌دیدگی یا افت عملکرد ADC در آن‌ها کاهش یابد.

با این حال، پیش از انتخاب و پیاده‌سازی هر روش محافظتی، لازم است مشخصات دقیق ADC (از جمله محدوده ورودی مجاز، Absolute Maximum Ratings و جریان‌های کلمپ مجاز)، ساختار ورودی ADC (مانند وجود دیودهای کلمپ داخلی و بلوک Sample-and-Hold) و همچنین نیازمندی‌های مسیر سیگنال (دقت DC، پهنای باند، نرخ نمونه‌برداری و زمان نشست) به‌خوبی بررسی شود؛ زیرا مدار محافظ علاوه بر ایجاد ایمنی، می‌تواند بر دقت و پاسخ دینامیکی سیستم نیز اثرگذار باشد.