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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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).
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
Купить LT6015 на РадиоЛоцман.Цены
