一种A/D芯片输入电压限幅保护电路的制作方法

本发明一种a/d芯片输入电压限幅保护电路属于高可靠计算机系统的数据采集技术领域。

背景技术：

在高可靠电路设计中，芯片的可靠性是必须考虑的内容，芯片的可靠性受多方面因素的影响，电应力是其中之一。芯片的各输入接口电压要求限制在推荐值内，以避免因超过推荐值降低芯片的可靠性，导致其使用寿命降低甚至损坏。a/d芯片的电压转换输入端通常要求为固定的范围，且通常应用多路切换方式完成多路模拟量输入的采集工作，为防止因外部某一路输入电压高于推荐的电压范围导致a/d转换芯片可靠性降低或损坏，在高可靠应用中，a/d前端输入电压限幅成为一种必需的设计。

通常使用的tvs管限幅的方式存在限幅电压值受限于所选择tvs管的设计电压，无法任意调节限幅幅值且无法完成精确限幅的需求，为了克服这些问题，本发明设计一种a/d芯片输入限幅保护电路，可以对输入电压进行任意幅值、双向、精确限幅。

技术实现要素：

本发明的目的是：设计一种电路，当a/d芯片输入电压超过限幅值，通过该电路确保a/d前端输入电压在限幅值范围内，当a/d前端输入电压在限幅值范围以内时，对电路功能和性能无影响。

本发明的技术方案：一种a/d芯片输入电压限幅保护电路，所述电路包括，电阻r1、运算放大器一u1、运算放大器二u2、运算放大器三u3、二极管一d1、二极管二d2；

输入信号vi连接到电阻r1的一端，电阻r1的另一端同时连接到运算放大器一u1的负端、运算放大器二u2的负端、二极管一d1的正端、二极管二d2的负端，以及运算放大器三u3的正端，运算放大器一u1的正端接限幅正向电压vp，运算放大器二u2的正端接限幅负向电压vn，运算放大器一u1的输出端接二级管一d1的负端，运算放大器二u2的输出端接二级管二d2的正端，运算放大器三u3的负端接到运算放大器三u3输出端，运算放大器三u3的输出端输出电压vo。

当a/d芯片输入电压小于限幅负向电压vn时，能将a/d芯片输入电压钳制到限幅负向电压vn，当a/d芯片输入电压大于限幅正向电压vp时，能将a/d芯片输入电压钳制到限幅正向电压vp，当a/d芯片输入电压vi在限幅负向电压vn和限幅正向电压vp之间，含限幅负向电压vn和限幅正向电压vp，对a/d芯片输入电压无影响。

通过调整电路中电阻的阻值，能够实现任意幅值精确限幅。

限幅正向电压vp能够通过对p15v电源进行电阻分压成为10v的电压，限幅正向电压vn能够通过对n15v电源进行电阻分压成为-10v的电压。

本发明的优点是：

1.既利用到了运算放大器的负反馈特性又利用到了运算放大器的饱和输出特性；

2.可实现任意幅值限幅；

3.可实现双向限幅；

4.可实现精确限幅；

5.输入电压在限幅范围内时，该限幅电路对原电路无影响；

6.该发明简单实用，成本较低。

附图说明

图1是本发明电路原理图

图2是本发明电路仿真图一

其中vi为频率100hz，占空比为50％，幅值为10v的方波，电阻r1-r5取值均为10kω(此时vn＝-7.5v，vp＝7.5v)，本发明电路的仿真结果图，其中通道1为vi，通道2为vo

图3是本发明电路仿真图二

其中vi为频率50hz，幅值为12v的正弦波，电阻取值r1＝r2＝r4＝10kω，r3＝r5＝5kω(此时vn＝-10v，vp＝10v)，本发明电路的仿真结果图，其中通道1为vi，通道2为vo

具体实施方式

一种a/d芯片输入电压限幅保护电路，所述电路包括，电阻r1、运算放大器一u1、运算放大器二u2、运算放大器三u3、二极管一d1、二极管二d2；

输入信号vi连接到电阻r1的一端，电阻r1的另一端同时连接到运算放大器一u1的负端、运算放大器二u2的负端、二极管一d1的正端、二极管二d2的负端，以及运算放大器三u3的正端，运算放大器一u1的正端接限幅正向电压vp，运算放大器二u2的正端接限幅负向电压vn，运算放大器一u1的输出端接二级管一d1的负端，运算放大器二u2的输出端接二级管二d2的正端，运算放大器三u3的负端接到运算放大器三u3输出端，运算放大器三u3的输出端输出电压vo。

当a/d芯片输入电压小于限幅负向电压vn时，能将a/d芯片输入电压钳制到限幅负向电压vn，当a/d芯片输入电压大于限幅正向电压vp时，能将a/d芯片输入电压钳制到限幅正向电压vp，当a/d芯片输入电压vi在限幅负向电压vn和限幅正向电压vp之间，含限幅负向电压vn和限幅正向电压vp，对a/d芯片输入电压无影响。

通过调整电路中电阻的阻值，能够实现任意幅值精确限幅。

限幅正向电压vp能够通过对p15v电源进行电阻分压成为10v的电压，限幅正向电压vn能够通过对n15v电源进行电阻分压成为-10v的电压。

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

该电路包括运算放大器一u1、运算放大器二u2、运算放大器三u3，二极管一d1、二极管二d2和电阻r1-r5组成。实现电路如附图1所示。

该电路工作原理：为简化起见，以理想运算放大器特性进行计算推理。

由运算放大器一u1的输入端电流为iu1+＝0可知vp如公式(1)所示：

当vu1-小于vu1+(＝vp)时，假设无负反馈回路，vu1o为输出饱和状态，输出电压为正电源电压大于vu1-，二极管一d1二极管为截止状态，与假设相同，运算放大器一u1不能形成负反馈。由iu1-＝0和iu3+＝0可知，电阻r1无压降，同时运算放大器三u3为同相跟随电路，则vo如公式(2)所示：

vo＝vi………………………………(2)

当vu1-大于vu1+(＝vp)时，假设无负反馈回路，vu1o为输出饱和状态，电压为负电源电压小于vu1-，二极管一d1为导通状态，与假设不同，运算放大器一u1形成负反馈回路，由运算放大器特性vu1-＝vu1+(＝vp)可知，电阻r1压降为vi-vp，同时运算放大器三u3为同相跟随电路，则vo如公式(3)所示：

vo＝vp………………………………(3)

由运算放大器二u2的输入端电流为iu2+＝0可知vn如公式(4)所示：

当vu2-大于vu2+(＝vn)时，假设无负反馈回路，vu2o为输出饱和状态，输出电压为负电源电压小于vu2-，二极管二d2二极管为截止状态，与假设相同，运算放大器二u2不能形成负反馈，由iu2-＝0和iu3+＝0可知，电阻r1无压降，同时运算放大器三u3为同相跟随电路，则vo如公式(5)所示：

vo＝vi………………………………(5)

当vu2-小于vu2+(＝vn)时，假设无负反馈回路，vu2o为输出饱和状态，电压为正电源电压大于vu2-，二极管二d2为导通状态，与假设不同，运算放大器二u2形成负反馈电路，由运算放大器特性vu1-＝vu1+(＝vn)可知，电阻r1压降为vi-vn，同时运算放大器三u3为同相跟随电路，则vo如公式(6)所示：

vo＝vn………………………………(6)

总结以上设计可知限幅电路参数如表1所示。

表1限幅电路参数

vp和vn的实现既可以采用电阻分压产生，也可以采用高精度的参考源产生。

运算放大器一u1和运算放大器二u2的选择主要考虑输出电流参数，运算放大器一u1输出电流应不小于(vi-vp)/r1(a)，运算放大器二u2输出电流应不小于(vi-vn)/r1(a)。

电阻r1需考虑参数主要为其额定功率，其额定功率应不小于(vi-vp)²/r1和(vi-vn)²/r1的最大值。

电阻r2-r5选择考虑参数为电阻精度，其精度应不低于所要求的的限幅电压精度。

运算放大器三u3则需要根据运算放大器三u3后面的a/d电路带宽特性进行匹配选择，运算放大器三u3带宽应不低于运算放大器三u3后面的电路带宽。如果a/d芯片前端已经匹配有运算放大器时，运算放大器三u3可取消。