Überspannungs- und Verpolungsschutz des Multiplex-ADC mit Spannungsfolger

Aus Leckgründen ist es besser, Siliziumdioden für D1 und D2 anstelle von Schottkies zu verwenden. Ich weiß, dass ihre Vf größer ist und auf dem Papier wahrscheinlich die maximale Mux-Eingangsspannung überschreitet, aber ihre Leckage wird um Größenordnungen geringer sein. Einige Siliziumdioden werden als leckagearm beworben. Es macht jedoch wenig Sinn, nach einer Leckage zu streben, die niedriger ist, als Ihr Mux bietet. Beachten Sie, dass sowohl Dioden- als auch Mux-Leckströme tendenziell exponentiell mit der Temperatur ansteigen. Manchmal ist eine schrecklich aussehende Datenblattzahl für den schlimmsten Fall bei Temperatur in Ordnung, wenn Sie Ihr System nur bei Umgebungstemperatur verwenden.

Verwenden Sie einen Widerstand zwischen der Diodenklemme und dem Mux-Eingang, um den Strom in die Mux-Schutzdioden zu begrenzen, sobald D1 oder D2 geklemmt sind.

Nicht alle Multiplexer sind gleich, einige haben einen robusten Eingangsschutz, da sie für diese Art der Verwendung ausgelegt sind. Einige geben an, dass ihr Eingangsschutz einen hohen Strom tolerieren kann. Führen Sie eine umfassende Suche durch und lesen Sie die Datenblätter sorgfältig durch.

Gehen Sie nicht davon aus, dass sich Leckströme aufheben. Leckage ist ein unkontrollierter Parameter.

Vergessen Sie nicht, eine angemessene Nennspannung für R3 zu verwenden, Ihr gemeinsamer oder Gartenwiderstand ist normalerweise nur für 200 V geeignet. Verwenden Sie mehrere in Reihe oder einen für eine viel höhere Spannung, sie sind nicht zu teuer. Spannungsspitzen von 1500 V sind im Netz üblich.

So etwas wie PUSB2X4Y hat Impulsspezifikationen in den Verstärkern. Wenn es einen Mikrosekundenimpuls von 4,5 A bei typischerweise 3,8 V dauern kann, dann können Sie davon ausgehen, dass es jeden Tag 10 s mA braucht, ohne dass es Ihnen peinlich ist.

Falls Sie Matthews Kommentar unten nicht entdeckt haben, ist hier, was er meiner Meinung nach im linken Diagramm vorgeschlagen hat, Back-to-Back-Dioden über einem Puffer-Operationsverstärker.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Obwohl der Ausgang des Operationsverstärkers als stromfähiger angesehen werden könnte als die Eingänge, hat er immer noch Substratdioden und eine maximale Stromspezifikation, ist also auch selbst schutzbedürftig. Einige Verstärker haben sogar Eingänge, die zum Eingangsschutz weit außerhalb der Schiene liegen, aber nur 0,3 V Überspannung und geringe Stromspezifikation am Ausgangspin.

Ausgehend von dieser Grundidee ist rechts meine Auffassung des Prinzips dargestellt. Die Diodenkette D3-6 sorgt für eine Spannungsklemmung „etwas außerhalb“ der Schienen, R2 schützt die Dioden, R4 schützt den Verstärkereingang, R3 schützt den Verstärkerausgang und lädt die Spannung über die Dioden D4 und D5, sodass sie zum Eingang fließen ist minimal. Mit einem solchen Bootstrapping könnten die Dioden fast alles sein, sogar große, bombensichere Gleichrichter.

Die beiden in Reihe geschalteten Dioden deuten darauf hin, dass beim Layout Sorgfalt geboten ist, wenn der Schutz auf schnelle Impulse ausgedehnt werden soll. Betrachten Sie den SOT-23 BAV99, zwei Reihendioden in einem Gehäuse, um das Paar D3,4 und das Paar D5,6 zu implementieren. Sie sind als kontinuierlich > 100 mA spezifiziert, typische 10-ms-Pulse 800 mA, was für jeden vernünftigen R2 angemessen klingt. BAT754S ist eine Alternative in Schottky. Ähnliche Ströme, aber viel niedrigere Klemmspannung.

Sie brauchen eigentlich keinen Operationsverstärker pro Kanal, wenn Ihre Multiplexer-Leckage niedrig genug ist. Die Schaltung unten zeigt den einzelnen Puffer nach dem Mux, der alle Eingangsschutzdioden ansteuert. Beachten Sie, dass die Multiplexer-Leckage am Verstärkereingang auftritt, während die Verwendung eines Puffers pro Kanal Mux-Leckage eliminiert.

Der „Ein“-Kanal empfängt die richtige Bootstrap-Spannung. Die „Aus“-Kanäle erhalten wahrscheinlich die falsche Spannung, und die „inneren“ Schutzdioden können gut leiten. Dies ist kein Messproblem, da der gewünschte Kanal korrekt ist. Es kann ein Problem für das sein, was diese Eingänge antreibt, oder auch nicht, wenn unsere nominell hochohmigen Eingänge auf eine andere Spannung gezogen werden. Wenn wir davon ausgehen, dass es sich um eine sehr schwache Stromquelle handelt (wir sind besorgt über Leckagen, daher wissen wir, dass es sich nicht um eine Quelle mit niedriger Impedanz handelt) mit einer großen Kapazität gegen Masse, kann es nach Auswahl dieses Eingangs lange dauern, bis die Spannung wieder zu ihr zurückgekehrt ist richtigen Wert.

Actual leakage measurements for diodes at 15C.   
diode    -2/-5v leakage   slope resistance over +/- 10mV
-----    --------------   ------------------------------
1N4148       4nA                 30Mohm    
BAT42       35nA                  1Mohm
BAS116     <10pA (30v)         >>20Gohm

Die BAS116-Leitung wurde mit 40 pA 300 mV, 45 nA 450 mV, 16 uA 640 mV fortgesetzt. Die Typ/Max-Spezifikation des BAS116 bei 25 °C beträgt 3 pA/5 nA und 3 n/80 n bei 150 °C.

Das heißt, bei dieser Temperatur und unter der Annahme, dass der Sperrstrom um den Faktor 2 nach oben und unten variiert und der Offset des Spannungsfolgers 3 mV beträgt, könnten Sie den folgenden Leckstrom annehmen

diode     no bootstrap      bootstrapped
-----     ------------      ------------
1N4148        6nA               1pA
BAT54        50nA               3nA
BAS116      <10pA             <<10pA 

Ich habe diese Messungen mit einem 8-Pfund-Messgerät mit 10 M Eingangswiderstand und einem Bereich von 200 mV durchgeführt, also 10 pA pro LSB, nicht schwierig (kann offensichtlich keinen Unterschied zwischen 0 und 10 pA erkennen!). Ich schlage vor, Sie tun dasselbe mit Ihren gewählten Dioden und bei höheren Temperaturen.