Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 3

29 января 2019

Рид Качмарек (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Многим уже знаком аналогичный цикл об операционных усилителях. Но АЦП – не менее важная часть сигнального тракта, а секретов и тонкостей в его применении никак не меньше. Приведены конкретные схемотехнические примеры, пошаговые инструкции с формулами, позволяющими адаптировать схему к конкретному проекту. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Для каждой схемы рекомендован как минимум один АЦП производства TI, однако разработчик может использовать и другие изделия компании, широкий выбор которых представлен на страницах каталога КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы АЦП. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно.

Подписаться на уведомления о публикации новых глав

Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 9 и 10

Таблица 9. Входные и выходные параметры 12-битной схемы

Таблица 10. Параметры источников питания 12-битной схемы

Описание решения

В данном решении усилитель сверхнизкой мощности используется для управления АЦП SAR, уровень энергопотребления которого в активном режиме измеряется в нановаттах. Решение предназначено для использования в системах сбора данных с датчиков с общим уровнем потребления в несколько микроватт. Примерами таких систем являются пассивные инфракрасные датчики, датчики газа и глюкометры. Значения в разделе выбора компонентов могут быть скорректированы в соответствии с требуемой скоростью передачи данных и полосой пропускания усилителя. В предыдущей части рассматривается более сложная версия схемы, где на канал отрицательного напряжения подается небольшое отрицательное напряжение (-0,3 В). Вариант схемы с одним источником питания показывает пониженную производительность, когда выходной сигнал усилителя близок к нулю. Однако в большинстве случаев конфигурация с одним источником питания является более предпочтительной благодаря простоте (рисунок 10, таблица 11).

Рис. 10 Несимметричная схема с одним ИП

Таблица 11. Спецификации упрощенной версии 12-битной несимметричной схемы

Рекомендуем обратить внимание

Определите линейный диапазон операционного усилителя на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе выбора компонентов.

Используйте конденсаторы COG для минимизации искажений.

Используйте пленочные резисторы 0,1% 20 ppm/°C или более высокой точности для минимизации искажений.

В серии обучающих видеороликов TI “Precision Labs – ADCs” показаны методы выбора элементов цепи зарядного сегмента Rfilt и Cfilt. Данные параметры компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации преобразователя данных и конструкции самого преобразователя. Приведенные здесь значения позволяют получить хорошие показатели установления сигнала и динамические характеристики для усилителя и преобразователя данных в этом примере. В случае изменения дизайна вам понадобится выбрать другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео “Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП”, в котором представлена дополнительная информация по выбору RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов

• Выберите операционный усилитель с малым энергопотреблением, обладающий следующими характеристиками:
  • ток питания < 0,5 мкА;
  • частотная эффективность (GBP) > 5 кГц (пятикратная частота дискретизации);
  • стабильность при единичном усилении;

В данном руководстве выбран ОУ LPV811. Он обладает следующими характеристиками: ток питания 450 нА, частотная эффективность (GBP) 8 кГц, стабилен при единичном усилении.

• Определите максимальное и минимальное значения выходного напряжения операционного усилителя в линейном режиме:
  • V_ee + 0 В < V_out < V_dd – 0,9 В из спецификации LPV811 V_cm;
  • V_ee + 10 мВ < V_out < V_dd – 10 мВ из спецификации LPV811 по размаху выходного напряжения V_out;
  • V_ee + 0,3 В < V_out < V_dd – 0,3 В из спецификации LPV811 по коэффициенту усиления линейного напряжения;
  • 0,3 В < V_in < 3,4 В — комбинированный наихудший случай.

ПРИМЕЧАНИЕ. Линейный диапазон LPV811 составляет 300 мВ. Это означает, что для проектирования системы, гарантирующей полный линейный диапазон 0…3,3 В (полный диапазон ADS7042), потребуется источник отрицательного напряжения. Данная схема позволяет в полной мере получить характеристики SNR и THD ADS7042 без использования источника отрицательного напряжения. Измерения проводились при комнатной температуре, исходя из условия высокой надежности системы. В предыдущей части приведена та же схема с использованием источника отрицательного напряжения вместо заземления.

• Типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с ожидаемыми значениями:
  • P_AVDD = I_{AVDD_AVG} × AVDD = 230 нА × 3,3 В = 759 нВт;
  • P_LPV811 = I_LPV811 × (V_dd – V_ee) = 450 нА × (4,5 В – 0 В) = 2,025 мкВт;
  • P_общая = P_AVDD + P_LPV811 = 759 нВт + 2,025 мкВт = 2,794 мкВт.
• Типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с измеренными значениями:
  • P_AVDD = I_{AVDD_AVG} × AVDD = 214,8 нА × 3,3 В = 709 нВт;
  • P_LPV811 = I_LPV811 × (V_dd – V_ee) = 431,6 нА × (4,5 В – 0 В) = 1,942 мкВт;
  • P_общая = P_AVDD + P_LPV811 = 709 нВт + 1,942 мкВт = 2,651 мкВт.
• Подберите соответствующие R_filt и C_filt, чтобы добиться установления сигнала при 1 ksps. Алгоритм выбора R_filt и C_filt представлен в видеопрезентации “Precision Labs Refine the R_filt and C_filt Values”. Итоговые значения в 200 кОм и 510 пФ позволяют добиться ошибки установления напряжения значительно ниже ½ младшего разряда (МР).

Передаточные характеристики для постоянного тока

На рисунке 11 показано изменение выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения схемы повторителя от 0 до 4,5 В. Из графика видно, что полный диапазон АЦП (FSR) находится в линейной области схемы усиления.

Рис. 11. График зависимости выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 4,5 В

Передаточные характеристики по переменному току

Полоса пропускания моделируется равной 7,02 кГц при коэффициенте усиления 0 дБ, что является линейным коэффициентом усиления 1. Данная величина пропускной способности позволит добиться установления сигнала при 1 ksps (рисунок 12).

Рис. 12. Полоса пропускания схемы

Моделирование установления входного сигнала АЦП

Далее приводится моделирование установления входного сигнала на значение 3 В постоянного тока (рисунок 13). Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно при значении ошибки в пределах ½ МР (402 мкВ). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection”.

Рис. 13. Установление входного сигнала при постоянном токе

Моделирование шума

В этом разделе описывается метод упрощенного расчета уровня шума (формула 1). В приведенных вычислениях мы пренебрегаем шумом резистора, поскольку он затухает при частотах выше 10 кГц.

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C{filt}}=\frac{1}{6.28 \times 200\:кОм \times 510\:пФ}=1.56\:кГц\\E_{n}=e_{n811}\times \sqrt{K_{n}\times f_{C}}=\frac{340\:нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 1.56\:кГц}=16.8\:мкВ\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения совпадают (рисунок 14). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Calculating the Total Noise for ADC Systems”.

Рис. 14. Частотная характеристика уровня шума

Мера БПФ

Данная характеристика была измерена на модифицированной версии ADS7042EVM-PDK (рисунок 15). Получены следующие характеристики по переменному току: SNR = 70,8 дБ, THD = –82,7 дБ и ENOB (эффективное количество бит) = 11,43, что хорошо согласуется с указанными характеристиками АЦП — SNR = 70 дБ.

Рис. 15. Измеренные характеристики БПФ и переменного тока для ADS7042 и LPV811 с двумя источниками питания

Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности представлены в таблице 12.

Таблица 12. Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности

Файлы Tina для измерений с использованием датчиков малой мощности.

Оригинал статьи.

Список ранее опубликованных глав

1. 1. Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя
   2. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная несимметричная схема с двумя источниками питания на 3,3 В при 1 ksps

Перевел Александр Леонович по заказу АО КОМПЭЛ