Какой диод использовать с входами АЦП

Функция, которую вы описываете, представляет собой использование «зажимных диодов» для защиты входа АЦП от колебаний напряжения слишком далеко от положительной шины или слишком далеко от отрицательной (обычно заземляющей) шины.

См. раздел «Зажим напряжения» в этом прекрасном руководстве по диодам и транзисторам и, в частности, приведенную в нем схему:

Интересующие параметры диода:

• Прямое напряжение : меньше или равно верхнему пределу допуска АЦП выше номинального положительного напряжения полного диапазона АЦП (часто Vcc и указывается как 3 вольта на ваш вопрос) и нижнему пределу допуска АЦП ниже напряжения земли.

  • Таким образом, если ваш АЦП на 0–3 В спроектирован так, чтобы не повреждаться входными сигналами до +4 В и до -1 В, то максимальное прямое напряжение, требуемое для D1 и D2, составляет 1 В каждый, поэтому кремниевые диоды на 0,7 В, показанные на рис. схемы было бы достаточно
  • Диоды Шоттки обычно рекомендуются не для низкого Vf, а для быстрого переключения, поскольку современные АЦП обычно могут без вреда выдерживать напряжения, по крайней мере, на вольт или два выше Vcc и на вольт или два ниже земли.
  • Во многих случаях стандартный кремниевый диод может быть лучше, чем диод Шоттки с таким же номиналом из-за меньшего обратного тока утечки.

• Обратное напряжение пробоя : больше максимально предусмотренного напряжения на входе АЦП, даже при ошибочных соединениях. Это редко является ограничением для широко используемых диодов.

• Номинальный прямой ток диода : Достаточный, чтобы он мог служить в качестве короткого замыкания для разницы входящего сигнала после прохождения через резистор R.

  • Таким образом, при наихудшем входе 12 В, плюсовой шине 3 В, Vf 0,7 В для D1 и R = 100 Ом диод должен выдерживать 83 мА без выхода волшебного дыма. Недостатка в подходящих диодах, соответствующих этому параметру, нет.

Обратите внимание, что диоды на схеме подключены «вверх ногами» по сравнению с типичным использованием диодов:

Идея состоит в том, что когда Vin находится в диапазоне {Vmax+Vf .. Vmin-Vf}, оба диода смещены в обратном направлении, и через них протекает только предельный обратный ток утечки.

Когда Vin становится выше Vmax + Vf, диод D1 открывается и замыкает сигнал на верхнюю линию напряжения.

Когда Vin становится ниже Vmin - Vf, D2 проводит и закорачивает сигнал на линию с более низким напряжением (или на землю).

Предполагается, что верхняя и нижняя (земля) шины напряжения регулируются с достаточно низким импедансом, чтобы они могли шунтировать избыточный ток от фиксирующего диода без возмущения регулируемого напряжения. Следовательно, АЦП никогда не увидит эти выходящие за пределы диапазона напряжения на Vout.

Надеюсь, это ответило на ваши вопросы.

Диодная защита входов хорошо освещена в ответах здесь, а также во многих веб-ссылках.

Менее очевидным является то, что в спецификации будут указаны «абсолютно максимальные» характеристики и «эксплуатационные характеристики». Последнее может быть названо «Рекомендуемые условия эксплуатации». Это следует понимать как «рекомендуется, если вы хотите, чтобы ваша система работала в нормальных условиях».

Спецификации, которые позволяют выводить контакты за пределы шин питания, почти всегда относятся к «абсолютно максимальным» спецификациям, а НЕ к «рабочим» спецификациям. «Рабочие» спецификации почти всегда указывают напряжения, которые НИКОГДА не выходят за пределы шин питания.

Если вы хотите, чтобы ваш дизайн ВСЕГДА работал, вы НИКОГДА не должны допускать, чтобы его входные контакты выходили за пределы диапазона рабочих спецификаций при использовании.

Максимальные характеристики - это пределы разрушения системы. Существует большая вероятность того, что если Vin превышает рабочие характеристики, но не абсолютные максимальные характеристики, устройство может функционировать неправильно. Это может быть разовая проблема в данный момент или проблема, которая начинается, когда ввод не соответствует спецификации и продолжается, пока ввод остается не соответствует спецификации, или может начаться, когда Vin не соответствует спецификации, и продолжаться до тех пор, пока система не будет полностью отключена. . Очевидным примером последнего является полный «сбой» ИС, когда ИС выходит из строя и не восстанавливается до отключения питания.

Входной сигнал, не соответствующий спецификации, на выводе АЦП может повлиять на показания других каналов АЦП — возможно, электрически смежных одного или всех входов АЦП. Это может произойти, когда Вин не соответствует спецификации, но (реже, но возможно) остается в этом режиме до тех пор, пока его не заменят.

В худшем случае вход, который соответствует спецификации Abs max, но не соответствует спецификации по эксплуатации, МОЖЕТ привести к неисправности ИС даже после полного отключения питания ИС, а затем повторного включения питания и сброса. Я видел, как это произошло. IC может оставаться не в состоянии compus mentis в течение многих минут после полного отключения питания. Это вызвано введением заряда через «защитные» диоды в узлы, которые обычно не управляются. Я видел, как это происходило в микросхемах, используемых в коммерческих проектах (включая мою :-()), где для предотвращения или восстановления состояния требовалась специальная схема защиты от сбоев.

Примечание. Многие люди скажут вам, что доведение штифтов до максимальных пределов во время обычных операций допустимо. Это неверно, если вы никогда не хотите неконтролируемых результатов. Если вас не беспокоит, что ваша система дает сбои, зависает или странно ходит, то во что бы то ни стало следуйте советам людей, которые говорят, что это нормально - нарушать операционные спецификации.

• Всегда следуйте рекомендациям по абсолютному максимуму с некоторым запасом для защиты входа.
• Возможно, поищите совет в их App Notes.
• Как правило, входы АЦП имеют последовательное сопротивление и переключаемый конденсатор. так что перенапряжение будет ограничивать ток до некоторого значения, но добавление слишком большого последовательного сопротивления может повлиять на постоянную времени выборки RC и вызвать ошибку измерения.
• Из-за эффекта защелки CMOS никогда не превышайте шины питания (+/-), как указано в спецификации.
• Если вам нужна дополнительная защита входа, добавьте достаточное сопротивление, которое может быть ограничено внешним резистором и диодом TVS подходящего номинала.

Есть и другие факторы, которые следует учитывать, например подавление синфазного сигнала и сбалансированные дифференциальные входы для помехоустойчивости. Убедитесь, что ваша защита сбалансирована, если у вас дифференциальный вход, защитив обе стороны одинаково.

Это всего лишь общие рекомендации. Без подробностей могу только догадываться. может потребоваться только 1K~10Kohm последовательно с внутренним/внешним фиксирующим диодом, чтобы обеспечить большую защиту входа.

Боковые примечания.

Имейте в виду, что наилучшая помехоустойчивость достигается при низком импедансе источника с использованием дроссельных фильтров CM на витой паре или коаксиальных входах с хорошими фильтрами на входе, хорошей изоляцией от источников шума и хорошим разделением аналоговой и цифровой земли. АЦП типа SAR, как правило, более чувствительны к шуму во встроенных контроллерах, чем АЦП с двойной интеграцией, которые медленнее.