Bagaimana saya mendesain sirkuit clipper perlindungan untuk input ADC?

Saya ingin dapat melindungi ADC saya dari tegangan input yang lebih tinggi dari 5V. Apa sirkuit perlindungan paling sederhana yang bisa saya bangun untuk memiliki output seperti yang ditunjukkan di bawah ini?

Mungkin yang paling sederhana adalah zener limiter sederhana:

Ini juga akan membatasi tegangan negatif hingga -0,7 V, meskipun batas ini tidak akan dikontrol dengan baik.

Sunting: Saya menampilkan 100 Ohm di R1. Ini hanya nilai default. Anda ingin nilai setinggi yang dapat Anda gunakan, mengingat bandwidth sinyal yang Anda sampel dan input kebutuhan ADC Anda saat ini. Semakin tinggi resistansi ini, semakin rendah arus yang perlu ditenggelamkan dalam kondisi tegangan berlebih, sehingga semakin kecil (dan lebih murah) zener tersebut. Anda mungkin ingin menambahkan kapasitor secara paralel dengan zener sehingga bergabung dengan R1 untuk membentuk filter anti-aliasing untuk ADC Anda.

Opsi biaya yang lebih rendah jika Anda memiliki rel 5 V yang dapat menenggelamkan arus yang cukup, dan Anda tidak keberatan dengan nilai batas yang sedikit di atas 5 V:

Anda dapat membeli dua dioda dalam paket ganda untuk tujuan ini. Jika Anda ingin nilai batas lebih dekat 5,2 V dari 5,7 V, gunakan dioda schottky alih-alih dioda silikon biasa.

Edit 2

Seperti yang ditunjukkan Steven, ada pertukaran di sini. Zener akan mulai melakukan sedikit pada level saat ini yang rendah, dan sumber yang Anda ukur perlu dapat menyediakan arus yang cukup untuk mengendarainya hingga 5 V untuk mendapatkan kliping yang Anda inginkan. Jika Anda benar-benar harus bisa mencapai 5,0 V sebelum kliping dimulai, Anda mungkin perlu menggunakan, katakanlah, zener 5,3 V bukannya 5,0 V, dan pastikan sumber Anda dapat menyediakan setidaknya 10 uA. Maka tentu saja Anda tidak dijamin untuk klip di bawah 5,5 V.

Di sisi lain, koneksi dioda ke rel positif (solusi kedua saya, apakah menggunakan dioda eksternal atau yang mungkin dibangun ke dalam ADC Anda) hanya akan berfungsi jika ada cukup beban pada rel 5 V untuk menenggelamkan saat ini disediakan oleh sumber tegangan lebih. Dalam sirkuit berdaya rendah, tegangan lebih dapat menyebabkan suplai 5 V Anda keluar dari regulasi dan menyebabkan semua jenis perilaku tak terduga di bagian lain dari sirkuit Anda.

Anda dapat membatasi arus yang perlu tenggelam dalam kondisi tegangan lebih dengan meningkatkan nilai R1. Tetapi kemampuan Anda untuk melakukan itu dibatasi oleh bandwidth yang Anda inginkan untuk dapat mengukur sinyal input Anda dan / atau arus input yang dibutuhkan oleh ADC Anda.

Itu juga tidak benar bahwa tegangan zener "bervariasi dengan arus". Akan lebih tepat untuk mengatakan ada arus bocor kecil, pada urutan 10-100 uA, di bawah ambang batas zener. Setelah zener memasuki operasi longsoran, tegangan bisa sangat stabil selama beberapa dekade saat ini. Inilah IV khas keluarga On Semi zener:

Perhatikan bahwa zener bernilai lebih tinggi memiliki stabilitas yang lebih baik daripada zen bernilai rendah. Dan tentu saja ada juga variasi termal (1-2 mV / K khas untuk bagian On Semi di 5.1 V) yang perlu dikhawatirkan jika Anda ingin tegangan kliping yang sangat stabil.

Ada suatu masa ketika saya pikir dioda zener hebat. Sekarang saya tahu mereka tidak. Bahkan mereka bau. Dioda ini memiliki toleransi 4% pada 250 μA, jadi Anda mungkin kehilangan 200 mV teratas dari bacaan Anda, tetapi semakin buruk: pada 10 μA tegangan zener hanya 4,3 V, itu kesalahan 14%. Jika input Anda berasal dari sumber impedansi yang relatif tinggi, seperti pembagi resistor, Anda mungkin kehilangan 700 mV teratas.

Sebagian besar mikrokontroler memiliki dioda penjepit pada pin I / O mereka:

Anda bisa menggunakannya. Jika sinyal Anda berasal dari output impedansi rendah, Anda ingin menambahkan resistor seri untuk melindungi dioda penjepit terhadap arus yang terlalu tinggi. 50 mA sering ditentukan sebagai Absolute Maximum Rating Jika Anda menggunakan resistor 15 kΩ, Anda akan membatasi arus hingga 1 mA untuk input 20 V. Foton dengan tepat menunjukkan bahwa arus tidak boleh terlalu tinggi. Itu karena Anda menyuntikkan arus di mana tegangan berasal dari regulator tegangan, dan itu hanya dapat sumber arus, bukan tenggelam. Jadi, jika sumber eksternal menyuntikkan arus, beban regulator harus dapat mengalirkannya ke tanah.

Seperti yang ditunjukkan PetPaulsen, ada perdebatan apakah ini praktik yang dapat diterima. Lembar data dapat mengatakan input maksimum adalah Vcc + 0,3 V, tetapi juga dapat mengatakan maksimum 20 mA untuk dioda penjepit (misalnya pengontrol PIC ini . Itu mungkin berarti bahwa penurunan tegangan dioda penjepit kurang dari 0,3 V, misalnya jika mereka Sedang Schottky.
Pokoknya, Anda selalu dapat menggunakan dioda eksternal Anda sendiri untuk menjepit ke Vcc. Diode Schottky ini hanya menjatuhkan 100 mV pada 10 mA, sehingga akan menjepit input ke nilai yang aman. Jangan lupa resistor 15 kΩ untuk sumber impedansi keluaran rendah.

Jika voltase input Anda tidak negatif, maka ground clamp tidak diperlukan.