Spesso nei circuiti che si interfacciano con l’esterno, ci vengono fornite delle specifiche di massima di alcuni segnali da elaborare. Nonostante questo dettaglio, gli stessi segnali potrebbero assumere valori più elevati di quanto atteso (ad esempio dovuti a picchi di tensione); sotto queste condizioni inattese, sarebbe preferibile un design “robusto” che prevenisse quindi il danneggiamento del sistema che stiamo andando a progettare.

Nello schema disegnato sotto possiamo vedere rappresentato questo concetto in maniera puramente didattica/esplicativa al solo scopo di illustrare un comportamento tipico.

Vinput è la tensione che potremmo avere in ingresso da un connettore, assumiamo che la sua dinamica possa essere nel range 3-4.5V ma che, a causa di un problema, raggiunga i 6V (traccia viola).

Il nostro sistema presenta un amplificatore operazionale “U1” che, se non protetto, potrebbe danneggiarsi.

Generalmente i componenti sono in grado di tollerare una sovratensione in ingresso lievemente superiore a quella di alimentazione (es. VCC +0.3V). Secondo queste premesse, la sovratensione in ingresso supera quanto il componente è in grado di tollerare, quindi ne può causare il danneggiamento o la distruzione. Per evitare questa condizione possiamo sfruttare il diodo D1.

Come sappiamo esistono diversi tipi di diodi, per ragioni di costo supponiamo di utilizzare un diodo D1 tradizionale con una Vf di circa 0.7V. Ricordiamo che, in caso di sovratensione, la resistenza R1 regolerà anche la corrente che scorre in D1 e quindi ne determinerà l’eventuale punto di lavoro e la potenza dissipata.

A questo punto il Diodo D1 “bloccherà” (traccia verde sul grafico) la tensione del suo “anodo” alla tensione sul suo “catodo” + Vf quindi +0.7V. Per semplificare possiamo assumere tutto come “ideale” e quindi stabilire che la massima V_in_prot sia 5.3V; per questo motivo, scegliamo una tensione di catodo di 4.6V (traccia blu). Per ragioni economiche e di semplicità, per generare la vprot utilizziamo un diodo Zener.
Questo tipo di dispositivo è in grado di imporre ai suoi capi una tensione più o meno fissa, a patto che sia polarizzato correttamente. Per rendere la trattazione più semplice possiamo assumere, come regole del pollice, che, se il diodo Zener viene polarizzato con almeno 5/6mA, sarà in grado di mantenere un valore piuttosto stabile.

Una volta creata questa tensione di riferimento, abbiamo terminato la realizzazione della nostra protezione garantendo l’integrità di U1 e di tutta l’eventuale catena di logica che poteva seguirne l’uscita.

Ricordiamo che questo discorso serve solo come una sorta di memorandum poiché, per rendere il design più robusto, andrebbero considerati anche dettagli come la temperatura di lavoro e i punti di lavoro stessi in funzione dei componenti e degli ingressi dettagliati.