Como eu projetaria um circuito clipper de proteção para entrada ADC?

Gostaria de poder proteger meu ADC de tensões de entrada superiores a 5V. Qual é o circuito de proteção mais simples que eu poderia construir para ter uma saída como a mostrada abaixo?

Provavelmente o mais simples é um limitador de zener simples:

Isso também limitará as tensões negativas a cerca de -0,7 V, embora esse limite não seja bem controlado.

Edit: Eu mostro 100 Ohms em R1. Este é apenas um valor padrão. Você deseja o valor mais alto possível, dada a largura de banda do sinal que está amostrando e as necessidades de corrente de entrada do seu ADC. Quanto maior essa resistência, menor a corrente que o zener precisa afundar em uma condição de sobretensão, portanto, quanto menor (e com menor custo) o zener pode ser. Você pode adicionar um capacitor em paralelo ao zener, para que ele se combine com o R1 para formar um filtro anti-aliasing para o seu ADC.

Uma opção de custo mais baixo se você tiver um trilho de 5 V que possa consumir corrente suficiente e não se importar com o valor limite ligeiramente acima de 5 V:

Você pode comprar os dois diodos em um pacote duplo exatamente para esse fim. Se você deseja que o valor limite seja mais próximo de 5,2 V do que 5,7 V, use diodos schottky em vez de diodos de silicone regulares.

Editar 2

Como Steven aponta, há uma troca aqui. Um zener começará a se comportar levemente em níveis baixos de corrente, e a fonte que você está medindo precisa fornecer corrente suficiente para levá-la até 5 V para obter o recorte desejado. Se você absolutamente precisa conseguir 5,0 V antes do início do recorte, pode ser necessário, digamos, um zener de 5,3 V em vez de 5,0 V, e verifique se sua fonte pode fornecer pelo menos 10 uA. Então é claro que você não tem garantia de cortar abaixo de 5,5 V.

Por outro lado, a conexão do diodo ao trilho positivo (minha segunda solução, seja usando diodos externos ou os que provavelmente estão embutidos no seu ADC inptus) funcionará apenas se houver cargas suficientes no trilho de 5 V para afundar o corrente fornecida pela fonte de sobretensão. Em um circuito de baixa potência, a sobretensão pode acabar deixando sua fonte de 5 V fora de controle e causar todo tipo de comportamento inesperado em outras partes do seu circuito.

Você pode limitar a corrente que precisa ser afundada na condição de sobretensão aumentando o valor R1. Mas sua capacidade de fazer isso é limitada pela largura de banda que você deseja medir no sinal de entrada e / ou na corrente de entrada necessária ao seu ADC.

Também não é verdade que a tensão do zener "varia muito com a corrente". Seria mais correto dizer que há uma pequena corrente de fuga, da ordem de 10 a 100 uA, abaixo do limite do zener. Quando o zener entra em operação de avalanche, a tensão pode ser muito estável ao longo de décadas de corrente. Aqui está o IV típico de uma família On Semi zener:

Observe que os zeners de maior valor têm melhor estabilidade do que os de baixo valor. E, é claro, também existem variações térmicas (1-2 mV / K típicas para a peça On Semi a 5,1 V) para se preocupar se você deseja uma tensão de corte muito estável.

Houve um tempo em que pensei que os diodos zener eram ótimos. Agora eu sei que eles não são. Na verdade, eles fedem. Esse diodo tem uma tolerância de 4% a 250 µA, portanto, você pode perder os 200 mV superiores da sua leitura, mas fica pior: a 10 µA a tensão do zener é de apenas 4,3 V, é um erro de 14%. Se a sua entrada vier de uma fonte de impedância relativamente alta, como um divisor de resistor, você poderá perder os 700 mV superiores.

A maioria dos microcontroladores possui diodos de fixação nos pinos de E / S:

Você pode usá-los. Se o seu sinal vier de uma saída de baixa impedância, você precisará adicionar um resistor em série para proteger o diodo de aperto contra uma corrente muito alta. 50 mA é frequentemente especificado como classificação máxima absoluta. Se você usar um resistor de 15 kΩ, limitará a corrente a 1 mA para uma entrada de 20 V. O fóton aponta corretamente que a corrente não deve ser muito alta. Isso ocorre porque você está injetando corrente de onde a tensão vem de um regulador de tensão, e isso só pode gerar corrente, e não afundá-la. Portanto, se uma fonte externa injeta corrente, a carga do regulador deve ser capaz de drená-la para o aterramento.

Como observa PetPaulsen , há um debate sobre se essa é uma prática aceitável. A folha de dados pode dizer que a entrada máxima é Vcc + 0,3 V, mas também pode dizer no máximo 20 mA para os diodos de aperto (por exemplo, este controlador PIC . Isso pode significar que a queda de tensão do diodo de aperto é menor que 0,3 V, por exemplo, se eles 're Schottky do.
de qualquer forma, você sempre pode usar o seu próprio diodo externo para braçadeira para Vcc. Este diodo Schottky só cai 100 mV a 10 mA, por isso vai apertar a entrada para um valor seguro. não se esqueça do 15 kW resistor para fontes de baixa impedância de saída.

Se a tensão de entrada não for negativa, o grampo de aterramento não será necessário.