Analogtechnik Operationsverstärker als Präzisionsbegrenzer

Manchmal kann die Anpassung des Analogsignals an den Eingang des A/D-Wandlers zur Herausforderung werden. Begrenzer beseitigen diese Probleme. Wir zeigen worauf man hierbei achten muss.

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Die Anpassung des Spannungsbereichs eines Analogsignals an den Eingang eines A/D-Wandlers (ADC) kann oft herausfordernd sein. Wird der ADC-Eingangsspannungsbereich überschritten, gibt das falsche Wandlungsergebnisse, ist er dagegen weit unter der Versorgungsspannungsschiene, können Substrat-Ströme in den A/D-Wandler fließen, was zu Latch-up oder sogar Beschädigung des Wandlers führen kann. Eine Einengung der Eingangsspannung auf niedrigere mehr konservative Werte führt aber zu einem kleineren Dynamikbereich und zu geringerer Auflösung.

Der in Bild 1 gezeigte einfache Operationsverstärker-Begrenzer beseitigt diese Probleme. Die maximal erlaubte Eingangsspannung wird auf den nicht-invertierenden Eingang von U1 gelegt, und der Ausgang über eine Kleinsignaldiode D1 auf den invertierenden Eingang. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers, falls sie vorhanden ist, wird als Begrenzungsreferenzwert verwendet. Liegt die Eingangsspannung unter dem Referenzwert, wird der Ausgang von U1 den Wert der positiven Versorgungsschiene annehmen und D1 ist rückwärts vorgespannt. Das Eingangssignal passiert dann ohne jede Veränderung.

Liegt das Eingangssignal über der Klemmspannung, kehrt der Ausgang des Operationsverstärkers um und schließt den Kreis durch D1, wird so zum Spannungsfolger der Klemmspannung mit Verstärkung 1. Der Eingangswiderstand R1 begrenzt den Strom, damit der Ausgang nicht absinkt. Der zweite Operationsverstärker U2 führt die Begrenzung für die negative Schiene aus und verhindert, dass das Signal unter Massepotential fällt. Somit ist das Ausgangssignal in diesem Beispiel auf 4,096 bis 0 V begrenzt.

Da das Konzept sehr einfach ist, stellt die Schaltung einige Herausforderungen an den Operationsverstärker. Erstens haben die meisten modernen Operationsverstärker Back-to-Back-Dioden über den Eingang, um große Differenzspannungen am Eingang zu verhindern, die eine Beschädigung des Bauteils zur Folge haben können oder zu Verschiebungen der Eingangsoffsetspannung führen. In dieser Schaltung verhindern die Dioden, dass das Ausgangssignal um den Betrag des Durchlassspannungsabfalls der Diode 1 unter die positive Klemmenspannung fällt oder über die negative Klemmenspannung steigt.

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