¿Cómo diseñaría un circuito clipper de protección para la entrada ADC?

Me gustaría poder proteger mi ADC de voltajes de entrada superiores a 5V. ¿Cuál es el circuito de protección más simple que podría construir para tener una salida como la que se muestra a continuación?

Probablemente el más simple es un limitador zener simple:

Esto también limitará los voltajes negativos a aproximadamente -0.7 V, aunque este límite no estará bien controlado.

Editar: muestro 100 ohmios en R1. Este es solo un valor predeterminado. Desea un valor tan alto como pueda usar, dado el ancho de banda de la señal que está muestreando y las necesidades de corriente de entrada de su ADC. Cuanto mayor sea esta resistencia, menor será la corriente que el zener necesita para hundirse en una condición de sobretensión, por lo que más pequeño (y de menor costo) puede ser el zener. Es posible que desee agregar un condensador en paralelo con el Zener para que se combine con R1 para formar un filtro anti-aliasing para su ADC.

Una opción de menor costo si tiene un riel de 5 V que puede absorber suficiente corriente, y no le importa que el valor límite esté ligeramente por encima de 5 V:

Puede comprar los dos diodos en un paquete doble exactamente para este propósito. Si desea que el valor límite esté más cerca de 5.2 V que 5.7 V, use diodos schottky en lugar de diodos de silicio normales.

Editar 2

Como Steven señala, hay una compensación aquí. Un zener comenzará a conducir un poco a niveles bajos de corriente, y la fuente que está midiendo debe ser capaz de proporcionar suficiente corriente para conducirlo hasta 5 V para obtener el recorte que desea. Si realmente necesita poder llegar a 5.0 V antes de que comience el recorte, es posible que necesite usar, por ejemplo, un zener de 5.3 V en lugar de 5.0 V, y asegúrese de que su fuente pueda proporcionar al menos 10 uA. Entonces, por supuesto, no tiene la garantía de recortar por debajo de 5,5 V.

Por otro lado, la conexión de diodo al riel positivo (mi segunda solución, ya sea que use diodos externos o los que probablemente estén integrados en su ADC inptus) solo funcionará si hay suficientes cargas en el riel de 5 V para hundir el corriente proporcionada por la fuente de sobretensión. En un circuito de baja potencia, la sobretensión podría terminar desviando su suministro de 5 V y causar todo tipo de comportamiento inesperado en otras partes de su circuito.

Puede limitar la corriente que necesita hundirse en la condición de sobretensión aumentando el valor R1. Pero su capacidad para hacerlo está limitada por el ancho de banda que desea poder medir en su señal de entrada y / o la corriente de entrada que necesita su ADC.

Tampoco es cierto que el voltaje zener "varía mucho con la corriente". Sería más correcto decir que hay una pequeña corriente de fuga, del orden de 10-100 uA, por debajo del umbral de Zener. Una vez que el zener entra en operación de avalancha, el voltaje puede ser muy estable a lo largo de décadas de corriente. Aquí está el IV típico de una familia On Semi zener:

Tenga en cuenta que los zeners de mayor valor tienen una mejor estabilidad que los de bajo valor. Y, por supuesto, también hay variaciones térmicas (1-2 mV / K típicas para la parte On Semi a 5.1 V) de las que preocuparse si desea un voltaje de recorte muy estable.

Hubo un tiempo en que pensaba que los diodos zener eran geniales. Ahora sé que no lo son. De hecho, apestan. Este diodo tiene una tolerancia del 4% a 250 µA, por lo que puede perder los 200 mV superiores de su lectura, pero empeora: a 10 µA el voltaje zener es de solo 4.3 V, eso es un error del 14%. Si su entrada proviene de una fuente de impedancia relativamente alta, como un divisor de resistencia, puede perder los 700 mV superiores.

La mayoría de los microcontroladores tienen diodos de sujeción en sus pines de E / S:

Puedes usar esos. Si su señal proviene de una salida de baja impedancia, querrá agregar una resistencia en serie para proteger el diodo de sujeción contra una corriente demasiado alta. 50 mA a menudo se especifica como Clasificación máxima absoluta. Si usa una resistencia de 15 kΩ, limitará la corriente a 1 mA para una entrada de 20 V. El fotón señala con razón que la corriente no debería ser demasiado alta. Eso es porque estás inyectando corriente donde el voltaje proviene de un regulador de voltaje, y eso solo puede generar corriente, no hundirla. Entonces, si una fuente externa inyecta corriente, la carga del regulador debería poder drenarla a tierra.

Como señala PetPaulsen , existe un debate sobre si esta es una práctica aceptable. La hoja de datos puede decir de entrada máxima es Vcc + 0,3 V, pero puede también decir máximo 20 mA para los diodos de sujeción (por ejemplo, este controlador de PIC . Eso puede significar que la caída de tensión del diodo de apriete es menor que 0,3 V, por ejemplo si
eres Schottky's. De todos modos, siempre puedes usar tu propio diodo externo para sujetar a Vcc. Este diodo Schottky solo cae 100 mV a 10 mA, por lo que sujetará la entrada a un valor seguro. No olvides la resistencia de 15 kΩ para Fuentes de baja impedancia de salida.

Si su voltaje de entrada no es negativo, entonces no se requiere la abrazadera de tierra.