Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 10

12 августа

системы безопасностиавтоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Майк Стаут (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

Усилитель с малым током смещения для АЦП последовательного приближения

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 39 и 40.

Таблица 39. Исходные данные к расчету схемы усилителя с малым током смещения

Вход Вход АЦП Цифровой выход ADS8912B
VinMin = 0,03 В IN1 = 0,14 115 = 0x073
VinMax = 1,07 В IN1 = 4,88 3998 = 0xF9E
VinMin = 0 В IN2 = 0 В 0 = 0x000
VinMax = 1 В IN2 = 1 В 819 = 0x333

Таблица 40. Характеристики питания

Источники питания и опорного напряжения
V+, VA V-
5 В 0 В

Описание схемы

В данной схеме реализован усилитель, обладающий малым током смещения, сигнал с его выхода измеряется с помощью АЦП последовательного приближения. Такой усилитель необходим для обеспечения минимальной погрешности при работе с высокоимпедансными датчиками. Примерами таких датчиков являются детекторы газа, анализаторы газов крови и датчики качества воздуха. В данном примере используется датчик кислотности (датчик pH). Выходное сопротивление этого сенсора может изменяться в диапазоне 10…1000 МОм. Если сопротивление датчика составляет 10 МОм, то при использовании усилителя со входным током смещения 3 нА ошибка на выходе схемы составит 30 мВ. С учетом исходных данных к расчету, представленных в таблице 39, можно определить, что выходная ошибка смещения 30 мВ соответствует погрешности измерений 2,9%. Если же использовать операционный усилитель со входным током смещения 3 фА, то ошибка на выходе уменьшится до 30 нВ.

Датчик pH является достаточно медленным сенсором, поэтому для работы с ним может использоваться АЦП с невысоким быстродействием. Так как показания датчика pH сильно зависят от температуры, то для работы с ним потребуется двухканальный АЦП: один канал для контроля температуры, а второй – для измерений выходного напряжения сенсора. Для схемы был выбран ADC122S021 – двухканальный 12-битный АЦП с максимальной частотой дискретизации 200000 выборок в секунду (рисунок 51).

Рис. 51. Для измерения показаний датчика pH требуется усилитель с низким током смещения

Рис. 51. Для измерения показаний датчика pH требуется усилитель с низким током смещения

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 41.

Таблица 41. Ключевые параметры схемы усилителя с малым током смещения

Параметр Расчетное значение, фА Значение, полученное при моделировании, фА Измеренное значение, фА
Ibias 20 118 20

Рекомендуем обратить внимание:

  • в качестве емкостей С3 и С6 следует использовать керамические конденсаторы COG/NPO;
  • каждая ИС должна иметь собственный развязывающий конденсатор 0,1 мкФ;
  • трассировка печатной платы имеет огромное значение. Для получения подробной информации ознакомьтесь с документом «LMP7721 Multi-Function Evaluation Board Users’ Guide»;
  • печатная плата должна быть чистой и не иметь поверхностных загрязнений. Для получения подробной информации следует ознакомиться с документом «LMP7721 Multi-Function Evaluation Board Users’ Guide»;
  • для получения подробной информации по созданию других схем с минимальным уровнем токов утечки прочтите статью «Design femtoampere circuits with low leakage».

Расчет схемы

  • Показания pH-датчика зависят от температуры. При 0°C чувствительность датчика составляет 54,2 мВ/pH, при 25°C возрастает до 59,16 мВ/pH, а при 100°C – до 74,04 мВ/pH. Это означает, что максимальный размах выходного сигнала будет наблюдаться при температуре 100°C и составит ±518,3 мВ. Выходное напряжение LMP7721 должно находится в рамках заданного диапазона ±2,4 В. Таким образом, коэффициент усиления LMP7721 должен быть (формула 1):

$$\frac{2.4\:В}{0.5183\:В}=4.6\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для получения такого усиления используются резисторы R2 = 3,57 кОм и R1 = 1 кОм.

  • Поскольку диапазон входных напряжений LMP7721 составляет 0…5 В, сигнал с выхода датчика pH должен быть смещен относительно земли. Резистивный делитель из R3 = 13,7 кОм и R4 = 1,69 кОм необходим для получения напряжения на входе U1 (формула 2):

$$\frac{5\:В\times 1.69\:кОм}{\left(1.69\:кОм+13.7\:кОм\right)}=549\:мВ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Так как коэффициент усиления для U1 составляет 1 (данный ОУ работает в режиме буферного повторителя), то на его выходе будет аналогичное напряжение 549 мВ. Такого смещения будет достаточно для того чтобы напряжение на выходе датчика pH (в худшем случае – 518,3 мВ) всегда превышало уровень 0 В.

С учетом смещения напряжение средней точки на выходе LMP7721 будет составлять (формула 3):

$$0.549\:В\times 4.6\frac{В}{В}=2.52\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Этого выходного смещения будет достаточно для обеспечения заданного размаха ±2,4 В.

  • Операционный усилитель U5 используется для поддержания требуемого потенциала на экранирующем проводнике. Этот ОУ работает в режиме буферного повторителя, и его коэффициент усиления составляет 1 В/В. Входным сигналом U5 для него является тот же сигнал, который поступает на вход -IN усилителя LMP
  • Выход LMP7721 подключен к одному из входов АЦП последовательного приближения ADC122S. Емкость конденсатора схемы выборки хранения АЦП составляет 33 пФ, поэтому емкость внешнего конденсатора, подключаемого ко входу, должна быть в 10 раз больше, то есть 330 пФ. Между выходом LMP7721 и входом АЦП также помещен токоограничительный резистор 20 Ом.
  • Так как показания датчика pH сильно зависят от температуры, то для контроля температуры используется дополнительный сенсор LM35, подключенный ко второму каналу АЦП ADC122S. На этом входе АЦП также присутствует RC-цепочка, состоящая из конденсатора 330 пФ и резистора 20 Ом.

Передаточные характеристики по постоянному току

На рисунке 52 представлены осциллограммы выходного напряжения датчика pH, напряжение экранирующей трассы и выходное напряжение LMP7721. Осциллограммы сняты при температуре 100°C, при которой на выходе датчика pH можно наблюдать максимальный размах напряжения.

Рис. 52. Осциллограммы основных напряжений схемы

Рис. 52. Осциллограммы основных напряжений схемы

Трассировка печатной платы

Трассировка печатной платы играет чрезвычайно важную роль для получения минимального тока смещения Ibias. Утечка тока возникает всякий раз, когда между двумя проводниками возникает разность потенциалов. Именно для устранения разности потенциалов и необходим экранирующий проводник. Напряжение этого проводника должно быть как можно ближе к уровню входного напряжения LMP7721, что позволит минимизировать токи утечки. LMP7721 имеет два неиспользуемых вывода (2 и 7), которые помогают упростить трассировку экранирующего проводника. На рисунке 53 представлен пример такой трассировки. Выход датчика pH и вход +IN операционного усилителя LMP7721 отделены от остальной части схемы с помощью экранирующего проводника. Ток утечки на входе LMP7721 оказывается минимальным. Схема смещения для датчика pH размещена вне границ, образованных экранирующим проводником. Утечки от средней точки не являются критичными для точности измерений. Паяльная маска не должна покрывать участок платы внутри экранирующего проводника. Под этой зоной на других слоях печатной платы не должно быть полигонов земли или сигнальных цепей.

Рис. 53. Трассировка печатной платы

Рис. 53. Трассировка печатной платы

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 42.

Таблица 42. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
ADC122S021 12-битный 2-канальный АЦП с SPI-интерфейсом, частотой дискретизации 50…200 ksps и несимметричным входом
LMP7721 Операционный усилитель с ультрамалым типовым током смещения 3 фА, ограниченным диапазоном токов смещения ±20 фА при температуре 25°C, напряжением смещения ±26 мкВ и GBW 17 МГц
LMP7715 Операционный усилитель со входным смещением ±150 мкВ, входным током смещения 100 фА, входным шумом 5,8 нВ/√Гц и шириной пропускания 17 МГц
LM35 Аналоговый датчик температуры с выходом, нормированным в градусах Цельсия, линейностью ±10 мВ/°C, гарантированной точностью 0,5°C (при 25°C) и диапазоном рабочих температур -55…150°C

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  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
  3. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps
  4. Цепь контроля высоковольтной аккумуляторной батареи на основе 18-разрядного дифференциального АЦП
  5. Схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с использованием дифференциального усилителя
  6. Схема истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП
  7. Схема расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП
  8. Входной узел для обработки сигналов с большими значениями синфазной и дифференциальной составляющих
  9. Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой: 0…10 A, 0…10 кГц, 18 бит

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
ADS8912BRGER (TI)
ADS8912BRGET (TI)
ADC122S021CIMM/NOPB (TI)
ADC122S021CIMMX (TI)
ADC122S021CIMMX/NOPB (TI)
ADC122S021CIMM (TI)
LMP7721MA/NOPB (TI)
LMP7721MAEVALMF/NOPB (TI)
LMP7721MAEVALMF_NOPB (TI)
LMP7721MA (TI)
LMP7715MFE/NOPB (TI)
LMP7715MFX (TI)
LMP7715MF (TI)
LMP7715MFX/NOPB (TI)