如何为ADC输入设计保护限幅电路？

我希望能够保护我的ADC免受高于5V的输入电压的影响。我可以构建具有如下所示输出的最简单的保护电路是什么？

可能最简单的是一个简单的齐纳限制器：

这也将负电压限制在大约-0.7 V，尽管不能很好地控制该限制。

编辑：我在R1处显示100欧姆。这只是一个默认值。给定要采样的信号带宽和ADC的输入电流需求，您希望使用一个尽可能高的值。该电阻越高，齐纳二极管在过压条件下需要吸收的电流越低，因此齐纳二极管可以越小（成本越低）。您可能需要添加一个与齐纳二极管并联的电容器，以使其与R1结合在一起以形成ADC的抗混叠滤波器。

如果您的5 V电源轨可以吸收足够的电流，并且您不介意极限值略高于5 V，那么这是一种低成本的选择：

您可以为此目的在双重包装中购买两个二极管。如果您希望极限值比5.7 V更接近5.2 V，请使用肖特基二极管代替常规的硅二极管。

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正如史蒂文指出的，这里需要权衡。齐纳二极管将在低电流水平下开始稍微导通，并且您正在测量的电源需要能够提供足够的电流，以将其一直驱动至5 V，以获得所需的削波。如果您绝对需要在开始削波之前达到5.0 V，则可能需要使用5.3 V稳压器而不是5.0 V，并确保您的电源至少可提供10 uA。那么，当然不能保证将其钳位在5.5 V以下。

另一方面，二极管连接到正电源线（我的第二种解决方案，无论是使用外部二极管还是ADC内置的二极管）只有在5 V电源轨上有足够的负载来沉过电压源提供的电流。在低功率电路中，过电压可能最终导致5 V电源失调，并导致电路其他部分发生各种意外行为。

您可以通过增加R1值来限制在过压条件下需要吸收的电流。但是，您执行此操作的能力受限于您希望能够在输入信号中测量的带宽和/或ADC所需的输入电流。

齐纳电压“随电流急剧变化”也是不正确的。如果说漏电流小于齐纳阈值，大约为10-100 uA，那将是更正确的说法。齐纳二极管进入雪崩状态后，电压在数十年的电流中会非常稳定。这是On Semi齐纳家族的典型IV：

请注意，高价值的齐纳二极管比低价值的齐纳二极管具有更好的稳定性。当然，还有一些温度变化（On Semi部件在5.1 V时典型值为1-2 mV / K）是否需要稳定的限幅电压。

曾经有一段时间我认为齐纳二极管很棒。现在我知道他们不是。事实上，他们很臭。该二极管在250 µA时具有4％的容差，因此您可能会丢失读数的最高200 mV，但会变得更糟：在10 µA时，齐纳电压仅为4.3 V，这是14％的误差。如果输入来自相对较高的阻抗源，例如电阻分压器，则可能会损失最高700 mV。

大多数微控制器的I / O引脚上都有钳位二极管：

您可以使用这些。如果您的信号来自低阻抗输出，则需要增加一个串联电阻，以保护钳位二极管免受过高的电流影响。通常将50 mA指定为绝对最大额定值。如果使用15kΩ电阻，则对于20 V输入，电流将限制为1 mA。光子正确地指出，电流不应太高。那是因为您要在电压来自稳压器的地方注入电流，而这只能提供电流，而不能吸收电流。因此，如果外部电源注入电流，则稳压器的负载应能够将其排放到地。

正如PetPaulsen指出的那样，存在争议，即这种做法是否可以接受。数据表可以说最大输入为Vcc + 0.3 V，但它可能也说最多20毫安钳位二极管（例如此PIC控制器。这可能意味着，钳位二极管电压降小于0.3 V，例如，如果它们“重新肖特基二极管。
无论如何，你可以随时使用自己的外部二极管钳位至Vcc。这肖特基二极管仅下降100 mV的为10毫安，所以它会夹住输入到一个安全值。请不要忘记为15kΩ电阻低输出阻抗源。

如果您的输入电压不为负，则不需要接地夹。