Источники питания KEEN SIDE
РадиоЛоцман - Все об электронике

Прецизионный ограничитель на ОУ для защиты входов АЦП

Linear Technology LT6015 LT6016 LT6017

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2016

Thomas Mosteller и Aaron Schultz, Linear Technology

Electronic Design

Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

Простая схема на операционном усилителе может ограничивать пределы изменения напряжения на входе АЦП, обеспечивая защиту преобразователя от перегрузки входов и повреждений

Согласовать диапазон напряжений аналогового сигнала с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя (АЦП) может быть непросто. Превышение входного диапазона АЦП будет причиной неправильного измерения. А если сигналы на входах выйдут далеко за пределы напряжений шин питания, в АЦП могут потечь токи подложки, которые приведут к защелкиванию входов, или даже к разрушению микросхемы. Однако ограничение входных сигналов до более безопасных уровней сужает динамический диапазон и разрешение АЦП.

Эти проблемы позволяет решить простая схема ограничителя на операционных усилителях (ОУ), изображенная на Рисунке 1. Максимально допустимое входное напряжение приложено к неинвертирующему входу U1, а на инвертирующий вход через малосигнальный диод D1 подается напряжение обратной связи. Для задания порогового уровня ограничения может использоваться опорное напряжение АЦП. Когда входное напряжение ниже опорного, напряжение на выходе U1 близко к положительной шине питания, и диод D1 закрыт, поэтому входной сигнал проходит без изменений.

Прецизионный ограничитель на ОУ для защиты входов АЦП
Рисунок 1. В схеме используется комплементарная пара операционных усилителей,
ограничивающих диапазон изменения входного сигнала в пределах максимально
допустимого положительного (U1) и отрицательного (U2) уровней.

Если напряжение на входе превысит напряжение ограничения, полярность выходного напряжения ОУ изменится, и через диод D1 замкнется петля обратной связи. В результате усилитель эффективно превратится в повторитель напряжения ограничения с единичным усилением. Резистор R1 ограничивает выходной ток ОУ. Второй ОУ (U2) выполняет дополнительную функцию, не позволяя сигналу опуститься ниже уровня земли. Таким образом, в этом примере выходной сигнал ограничен диапазоном от 4.096 В до 0 В.

Эта схема, хоть и очень простая по концепции, предъявляет особые требования к операционным усилителям. Во-первых, в большинстве современных ОУ для защиты от больших дифференциальных напряжений на входах включены встречные диоды, которые могут стать быть причиной повреждения микросхемы или сдвигов в напряжении смещения нуля. Из-за этих диодов в рассматриваемой схеме выходной сигнал не сможет подняться выше уровня, отстоящего от напряжения положительной шины питания на величину прямого падения на диоде, и не сможет опуститься ниже напряжения на открытом диоде.

Чтобы понять, есть ли в данном операционном усилителе эти диоды, нужно провести определенную розыскную работу. В справочных данных на одни компоненты входные диоды показаны, на другие – нет, хотя на самом деле они могут быть. Надежным признаком наличия диодов является ограничение входного тока несколькими миллиамперами в разделе Абсолютные предельные значения (Absolute Maximum Ratings).

Кроме того, выход ОУ должен переходить из «неограниченного» в «ограниченное» состояние за минимально возможное время, чтобы обрезать быстро нарастающие сигналы, не допуская возникновения потенциально опасных выбросов. Помимо этого, операционный усилитель должен иметь rail-to-rail выходы и выход, чтобы он мог работать с напряжениями, близкими к напряжениям источников питания.

Этим целям служит семейство операционных усилителей LT6015, включающее в себя сдвоенную версию LT6016 и счетверенную LT6017. Поскольку диодов на входах нет, на них можно подавать очень большие дифференциальные напряжения, которые не будут накладывать ограничения на любые практические приложения, использующие АЦП. Используя высокие дифференциальные входные напряжения, можно создавать ограничители и другие нелинейные схемы. Более того, входное напряжение может быть на 80 В выше или на 25 В ниже напряжения шины V–, что позволяет безопасно подавать на входы сигналы, которые повредили бы другие микросхемы.

Еще одной уникальной особенностью LT6015 является ее способность работать при разности между V+ и V–, достигающей 60 В, что дает возможность использовать схему для ограничения напряжений, более высоких, чем напряжения питания подавляющего большинства ОУ. Скорость нарастания 0.75 В/мкс позволяет ограничивать достаточно быстро нарастающие сигналы. Низкое напряжение смещения с типовым значением менее 100 мкВ гарантирует, что уровень ограничения будет очень точным.

Прецизионный ограничитель на ОУ для защиты входов АЦП
Рисунок 2. Схема с операционным усилителем LT6015 и 10-вольтовым биполярным
источником питания ограничивает диапазоном 0 … + 4 В синусоидальный
сигнал с размахом 7 В пик-пик.

Рисунок 2 иллюстрирует работу микросхемы LT6015 при питании от источников ±10 В, ограничивающей входной сигнал с размахом 7 В пик-пик и частотой 1 кГц диапазоном 0 … + 4 В. Увидеть тонкости работы ограничителя здесь трудно, но увеличив масштаб, можно разглядеть на выходе небольшой выброс (Рисунок 3).

Прецизионный ограничитель на ОУ для защиты входов АЦП
Рисунок 3. «Увеличенный масштаб» дает возможность увидеть небольшой выброс,
происходящий при включении ограничения.

Увеличение частоты входного сигнала до 30 кГц (Рисунок 4) отчетливо показывает, что срабатывание схемы происходит за время чуть меньшее, чем 10 мкс, ограничивая рабочую полосу частот до нескольких килогерц. Скорость срабатывания схемы можно повысить путем приближения напряжений шин питания к пороговым уровням, что сузит диапазон, в котором должно изменяться выходное напряжение в режиме ограничения. Поскольку размах выходного напряжения LT6105 очень близок к шинам питания, необходимый дополнительный запас по напряжениям источника очень невелик.

Прецизионный ограничитель на ОУ для защиты входов АЦП
Рисунок 4. Скорость ограничения определяет полосу пропускания схемы. На осциллограмме
хорошо видны последствия 10-микросекундного запаздывания.

Еще одним ограничением схемы является то, что ее выходное сопротивление определяется резистором R1, сопротивление которого должно составлять хотя бы несколько сотен ом, чтобы ограничивать выходной ток ОУ. В связи с тем, что для некоторых АЦП требуются источники сигнала с низким выходным сопротивлением, может потребоваться буферный усилитель U3. Воспользовавшись счетверенной версией LT6017, все необходимые функции можно реализовать с помощью одной микросхемы.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Op Amps Make Precision Clipper, Protect ADC

9 предложений от 9 поставщиков
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT TSOT23-5
AliExpress
Весь мир
LT1931AIS5 LT6106CS5 LT6656BIS6-5 LT6015IS5 LT3468ES5-2 LT1784IS5 LT6205IS5 LTC6101BCS5 LT3014BES5 SOT23-5
216 ₽
Vigor Components
Весь мир
LT6015IS5
Linear Technology
369 ₽
Augswan
Весь мир
LT6015HS5
Analog Devices
по запросу
ЗУМ-СМД
Россия
LT6015IS5
Linear Technology
по запросу
Электронные компоненты. Летние скидки и кэшбэк от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Очень интересная статья. Только вопрос возник уже на первом абзаце, цитата "Однако ограничение входных сигналов до более безопасных уровней сужает динамический диапазон и разрешение АЦП". Тут не понятно, на какие ограничители автор ссылается, на аналогичные активные или стандартные решения в виде быстрых диодов. Например, большинство многоканальных систем сбора данных (внешние и встраиваемые АЦП), с которыми работал, структурно построены одинаково: на входе каждого канала резистор 1к, затем коммутатор, например DG409, затем коммутатор над коммутаторами, затем защита в виде диодов на шины питания, только на искусственные точки немного ниже напряжений питания предусилителя, затем собственно сам предусилитель с управляемым КУ, затем АЦП. Диф. конфигурация или с общей землёй по входным каналам - тут не существенно. Получается, что чаще всегда защищается именно предусилитель модуля ввода, а сама микросхема АЦП защищена по цепочке автоматически. В многоканальных системах с одним физическим АЦП об ухудшении характеристик такой защитой можно судить лишь косвенно. Если же используется только один канал или многоканальная м/с АЦП (со своим внутренним коммутатором), то наверное классическая защита вовсе "незаметна" в смысле ухудшения параметров сигнала/АЦП. Если же где-либо используется буферный ОУ с диодами по входам, то это уже можно считать защитой.
  • Уважаемый [b]antonydublin[/b], согласен с Вами, здесь явная несуразица. Динамический диапазон АЦП определяется величиной напряжения его опорного источника, которое не может превышать напряжение питания самого АЦП (если не используется внешний источник опорного напряжения), а разрешение (фактически разрядность) - частотой квантования. Другими словами, динамический диапазон и разрешение АЦП не зависят от величины входного сигнала. А вот для целей защиты входных цепей, аттенюатора, коммутаторов и т.д. схема вполне подходит. Хуже она или лучше варианта ОУ с быстрыми диодами на входе - вопрос скорее риторический. На все случаи защиту не предусмотришь, а защиты от"дурака" и вовсе не существует. Сдаётся мне, что ребята Thomas Mosteller и Aaron Schultz придумали велосипед и застолбили его. С уважением...
  • Я не согласен с вами. Чем в первую очередь определяется динамический диапазон любого аналогового устройства? Шумами. Снизил максимальное напряжение на входе АЦП, снизил для компенсации в тоже число раз величину опорного источника. А шумы самого АЦП все равно останутся на том же самом уровне. Отношение сигнал/шум станет хуже. А разрешение и частота квантования вообще друг с другом напрямую не связаны. Что изобрели велосипед. Тут да, очень похоже. Обычно подключают диоды непосредственно к шинам питания и не заморачиваются с ОУ. В чем смысл именно прецизионного (особо точного) ограничения, в статье не раскрыто.