Come dovrei progettare un circuito di clipper di protezione per l'ingresso ADC?

Vorrei essere in grado di proteggere il mio ADC da tensioni di ingresso superiori a 5 V. Qual è il circuito di protezione più semplice che potrei costruire per avere un output come mostrato di seguito?

Probabilmente il più semplice è un semplice limitatore di zener:

Ciò limiterà anche le tensioni negative a circa -0,7 V, sebbene questo limite non sia ben controllato.

Modifica: mostro 100 Ohm a R1. Questo è solo un valore predefinito. Vuoi un valore quanto più elevato possibile, data la larghezza di banda del segnale che stai campionando e le esigenze di corrente in ingresso del tuo ADC. Maggiore è questa resistenza, minore è la corrente di cui lo zener deve sprofondare in una condizione di sovratensione, quindi più piccolo (e più economico) può essere lo zener. Potresti voler aggiungere un condensatore in parallelo con lo zener in modo che si combini con R1 per formare un filtro anti-aliasing per il tuo ADC.

Un'opzione di costo inferiore se si dispone di una guida a 5 V che può assorbire abbastanza corrente e non si considera che il valore limite sia leggermente superiore a 5 V:

È possibile acquistare i due diodi in un doppio pacchetto esattamente per questo scopo. Se si desidera che il valore limite sia più vicino a 5,2 V rispetto a 5,7 V, utilizzare diodi schottky anziché normali diodi al silicio.

Modifica 2

Come sottolinea Steven, c'è un compromesso qui. Uno zener inizierà a condurre leggermente a bassi livelli di corrente e la sorgente che stai misurando deve essere in grado di fornire abbastanza corrente per portarla fino a 5 V per ottenere il clipping che desideri. Se devi assolutamente essere in grado di arrivare a 5,0 V prima dell'inizio del clipping, potresti dover usare, diciamo, uno zener da 5,3 V invece di 5,0 V, e assicurarti che la tua fonte possa fornire almeno 10 uA. Quindi, ovviamente, non è garantito che il clip sia inferiore a 5,5 V.

D'altra parte, la connessione del diodo alla rotaia positiva (la mia seconda soluzione, sia che utilizzi diodi esterni o quelli che sono probabilmente incorporati nel tuo inptus ADC) funzionerà solo se ci sono abbastanza carichi sulla rotaia da 5 V per affondare il corrente fornita dalla sorgente di sovratensione. In un circuito a bassa potenza, la sovratensione potrebbe finire per portare fuori tensione l'alimentazione a 5 V e causare comportamenti imprevisti in altre parti del circuito.

È possibile limitare la corrente che deve essere affondata nella condizione di sovratensione aumentando il valore R1. Ma la tua capacità di farlo è limitata dalla larghezza di banda che vuoi essere in grado di misurare nel tuo segnale di ingresso e / o nella corrente di ingresso richiesta dal tuo ADC.

Inoltre, non è vero che la tensione di zener "varia selvaggiamente con la corrente". Sarebbe più corretto dire che c'è una piccola corrente di dispersione, nell'ordine di 10-100 uA, al di sotto della soglia di zener. Una volta che lo zener entra nel funzionamento a valanga, la tensione può essere molto stabile per decenni di corrente. Ecco il tipico IV di una famiglia On Semi zener:

Si noti che gli zener di valore superiore hanno una stabilità migliore rispetto a quelli di valore basso. E naturalmente ci sono anche variazioni termiche (1-2 mV / K tipiche per la parte On Semi a 5,1 V) di cui preoccuparsi se si desidera una tensione di clipping molto stabile.

C'è stato un tempo in cui pensavo che i diodi Zener fossero fantastici. Ora so che non lo sono. È un dato di fatto che puzzano. Questo diodo ha una tolleranza del 4% a 250 µA, quindi potresti perdere i primi 200 mV della lettura, ma peggiora: a 10 µA la tensione di zener è solo 4,3 V, questo è un errore del 14%. Se il tuo input proviene da una sorgente di impedenza relativamente elevata, come un divisore di resistori potresti perdere i primi 700 mV.

La maggior parte dei microcontrollori ha diodi di serraggio sui loro pin I / O:

Puoi usarli. Se il tuo segnale proviene da un'uscita a bassa impedenza, ti consigliamo di aggiungere un resistore in serie per proteggere il diodo di serraggio da una corrente troppo elevata. 50 mA è spesso specificato come valore massimo assoluto. Se si utilizza una resistenza da 15 kΩ, la corrente verrà limitata a 1 mA per un ingresso da 20 V. Il Photon sottolinea giustamente che la corrente non dovrebbe essere troppo alta. Questo perché stai iniettando corrente in cui la tensione proviene da un regolatore di tensione, e questo può solo generare corrente, non sprofondarla. Quindi, se una fonte esterna inietta corrente, il carico del regolatore dovrebbe essere in grado di scaricarlo a terra.

Come sottolinea PetPaulsen , si discute se questa sia una pratica accettabile. Il foglio dati può indicare che l'ingresso massimo è Vcc + 0,3 V, ma può anche indicare un massimo di 20 mA per i diodi di serraggio (ad esempio questo controller PIC . Ciò può significare che la caduta di tensione del diodo di serraggio è inferiore a 0,3 V, ad esempio se
sei di Schottky. Ad ogni modo, puoi sempre usare il tuo diodo esterno per bloccare a Vcc. Questo diodo Schottky scende solo 100 mV a 10 mA, quindi bloccherà l'ingresso su un valore sicuro. Non dimenticare la resistenza da 15 kΩ per sorgenti a bassa impedenza di uscita.

Se la tensione di ingresso non diventa negativa, non è necessario il morsetto di terra.