Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 11

26 августа

автоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Арт Кей, Брайан МакКей (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

Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 43 и 44.

Таблица 43. Исходные данные к расчету схемы усилительного каскада

Вход Вход АЦП Цифровой выход ADS8860
-5 мВ Out = 0,2 В 0A3DH или 262110
15 мВ Out = 4,8 В F5C3H или 6291510

Таблица 44. Характеристики питания

Источники питания и опорного напряжения
AVDD DVDD Vref_INA Vref Vcc Vee
5,0 В 3,0 В 3,277 В 5,0 В +15 В -15 В

Описание схемы

Инструментальные усилители очень часто используют для усиления низковольтных сигналов с датчиков для дальнейшего измерения с помощью АЦП. Инструментальные усилители, как правило, оптимизированы для получения низкого уровня шумов, минимального смещения и дрейфа. К сожалению, полоса пропускания многих инструментальных усилителей оказывается недостаточной для совместной работы с быстродействующими АЦП при использовании максимальной частоты дискретизации. В этой части цикла статей мы расскажем, каким образом следует выбирать частоту дискретизации для получения хорошей переходной характеристики. Стоит отметить, что многие инструментальные усилители оптимизированы для работы с высоковольтным питанием и могут использоваться для нормирования высоковольтных входных сигналов (например, с ±15 В до 5 В) перед их подачей на низковольтный вход АЦП. В рассматриваемой схеме для защиты входа АЦП от перенапряжений предлагается использовать диоды Шоттки и последовательный резистор. В статье рассматривается пример с мостовым датчиком, однако предлагаемая схема подойдет и для широкого спектра других дифференциальных датчиков. В следующей части будет рассмотрена модифицированная схема с дополнительным буферным усилителем, который позволяет достичь максимальной частоты дискретизации.

Рассматриваемая схема (рисунок 54) подходит для всех мостовых датчиков и модулей с аналоговыми входами, требующих прецизионного измерения и обработки сигналов.

Рис. 54. Использование инструментального усилителя для усиления входного сигнала АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

Рис. 54. Использование инструментального усилителя для усиления входного сигнала АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 45.

Таблица 45. Ключевые параметры схемы

Параметр Расчетное значение Значение, полученное при моделировании
Частота дискретизации, ksps 200 200, установление при -6 мкВ
Смещение (вход АЦП), мкВ 40 × 306,7 = 12270 16
Дрейф смещения, мкВ/ºC 0,4 × 306,7 = 123 Нет данных
Шум, мкВ 978 874

Обратите внимание:

  • выбирайте коэффициент усиления в соответствии с рекомендуемым диапазоном входных напряжений АЦП. При необходимости используйте референсный вход инструментального усилителя для смещения выходного сигнала. Подробнее об этом рассказывается в разделе «Расчет схемы»;
  • диоды Шоттки необходимы для защиты входа АЦП от напряжений, выходящих за рамки диапазона допустимых входных напряжений. Хорошим выбором для данной схемы становится диодная сборка BAT54S, объединяющая сразу два диода Шоттки. Эти диоды отличаются низким током утечки и низким прямым падением напряжения. Подробнее об использовании диодов Шоттки рассказывается в разделе «Расчет схемы»;
  • резистивный делитель и буферный усилитель необходимы для формирования сигнала смещения, подаваемого на референсный вход инструментального усилителя. Выбирайте для этой схемы прецизионные резисторы и усилитель с минимальным смещением. Более подробную информацию можно прочитать в документе «Selecting the right op amp»; 
  • проверьте, что усилитель работает с допустимым диапазоном синфазных напряжений. Для этого используйте утилиту Common-Mode Input Range Calculator for Instrumentation Amplifiers;
  • для уменьшения искажений используйте керамические C0G-конденсаторы (CCM1, CCM2, CDIF, и Cfilt);
  • для задания коэффициента усиления используйте прецизионные и стабильные пленочные резисторы 0,1% 20ppm/°C (резистор Rg). Дрейф сопротивления и погрешность резистора Rg напрямую определяют дрейф и погрешность усиления схемы;
  • в учебных видео TI Precision Labs – ADCs рассказывается о выборе компонентов Cfilt и Rfilt применительно к операционным усилителям. Аналогичные рассуждения с небольшими изменениями справедливы и для инструментальных усилителей. Для получения подробной информации обратитесь к видео «Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection».

Расчет схемы

  • Рассчитаем резистор Rg с учетом требуемого размаха выходного напряжения инструментального усилителя 0,2…4,8 В (формула 1):

$$GAIN=\frac{V_{out\_max}-V_{out\_min}}{V_{in\_max}-V_{in\_min}}=\frac{4.8\:В-0.2\:В}{4.8\:мВ-(-10\:мВ)}=313.3\frac{В}{В};\\GAIN=1+\frac{49.4\:кОм}{R_{g}};\\R_{g}=\frac{49.4\:кОм}{GAIN-1}=\frac{49.4\:кОм}{313.3-1}=158.2\:Ом\approx 162\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

162 Ом – стандартное значение для резисторов 0,1%.

  • Определим референсное напряжение инструментального усилителя Vref, необходимое для получения требуемого смещения выходного напряжения (формула 2):

$$V_{out}=GAIN\times V_{in}+V_{ref\_INA}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

С учетом формулы 1 и выбранного значения Rg, получаем формула 3:

$$V_{ref\_INA}=V_{out}-GAIN\times V_{in}=4.8\:В-\left(1+\frac{49.4\:кОм}{162\:Ом} \right)\times 5\:мВ=3.27\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Необходимо выбрать номиналы резисторов R1 и R2 из стандартного ряда номиналов, чтобы получить требуемое значение Vref. Для этого следует воспользоваться калькулятором Analog Engineer’s Calculator (рисунок 55). Предлагаемые значения составляют, соответственно, 11,3 и 21,5 кОм для R1 и R2. Проверим получаемое значение Vref (формула 4):

Рис. 55. Для расчета резистивного делителя следует воспользоваться калькулятором Analog Engineer's Calculator

Рис. 55. Для расчета резистивного делителя следует воспользоваться калькулятором Analog Engineer’s Calculator

$$V_{ref\_INA}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\times V_{in\_div}=\frac{21.5\:кОм}{11.3\:кОм+21.5\:кОм}\times 5\:В=3.277\:В\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Используйте калькулятор Common-Mode Input Range Calculator for Instrumentation Amplifiers для проверки диапазона синфазных напряжений INA826 (рисунок 56).

Рис. 56. Проверка диапазона синфазных напряжений INA826

Рис. 56. Проверка диапазона синфазных напряжений INA826

Передаточные характеристики по постоянному току

На рисунке 57 представлена передаточная характеристика схемы. Данная характеристика имеет линейную зависимость для диапазона входных напряжений -5…+15 мВ. Для получения подробной информации по этому вопросу обратитесь к материалам «Determining a SAR ADC’s Linear Range when using Instrumentation Amplifiers». Обратите внимание, что для защиты входов АЦП ADS8860 используются диоды Шоттки, которые ограничивают входное напряжение АЦП диапазоном -0,12…5,12 В. Выбор диодов Шоттки обоснован их низким прямым падением (около 0,3 В), что позволяет поддерживать напряжение на входе АЦП максимально близко к уровню питающих напряжений. Диапазон предельно допустимых значений входных напряжений для ADS8860 составляет -0,3 В…(REF + 0,3 В).

Рис. 57. Передаточная характеристика схемы

Рис. 57. Передаточная характеристика схемы

Частотные характеристики схемы

Полоса пропускания предлагаемой схемы составила 20,1 кГц, а усиление -49,7 дБ, что соответствует линейному коэффициенту усиления 305,8 В/В (рисунок 58). Для получения подробной информации по этому вопросу следует обратиться к серии обучающих видео «Op Amps: Bandwidth».

Рис. 58. АЧХ и ФЧХ схемы

Рис. 58. АЧХ и ФЧХ схемы

Моделирование переходных характеристик

На рисунке 59 представлена осциллограмма отклика схемы на входной импульс +15 мВ. Моделирование подтверждает, что параметры входного фильтра выбраны верно. Более подробную информацию можно получить по ссылке «Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection».

Рис. 59. Отклик схемы на входной импульс +15 мВ

Рис. 59. Отклик схемы на входной импульс +15 мВ

Моделирование шумовых характеристик

На рисунке 60 представлены результаты грубого расчета полного шума схемы. Вклад операционного усилителя OPA192 в общий шум схемы не учитывался, так как основным источником шума является инструментальный усилитель, работающий с большим коэффициентом усиления (формула 5).

Рис. 60. Общий шум схемы

Рис. 60. Общий шум схемы

$$E_{n}=GAIN\times \sqrt{e_{NI}^2+\left(\frac{e_{NO}}{GAIN} \right)^2}\times \sqrt{k_{N}\times f_{C}}=978\:мкВ\sqrt{Гц}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Расчетное и смоделированное значения шума практически совпадают (таблица 45). Для получения подробной информации о шумах операционных усилителей перейдите по ссылке «TI Precision Labs – Op Amps: Noise 4», а если нужна информация о шумах АЦП – обратитесь к документации «Calculating the Total Noise for ADC Systems».

Опциональный входной фильтр

На рисунке 61 представлен вариант реализации типового входного фильтра для инструментального усилителя. Дифференциальный шум фильтруется с помощью конденсатора Cdif, а синфазные шумы шунтируются с помощью конденсаторов Ccm1 и Ccm2. Стоит отметить, что согласно рекомендациям следует выбирать Cdif ≥ 10Ccm, это позволит предотвратить превращение синфазного шума в дифференциальный из-за рассогласования номиналов компонентов. Предложенный фильтр обеспечивает частоту среза для дифференциального шума 15 кГц.

Рис. 61. Типовой входной фильтр для инструментального усилителя

Рис. 61. Типовой входной фильтр для инструментального усилителя

Полагая, что Cdif = 1 нФ и fdif = 15 кГц, можно рассчитать номиналы компонентов фильтра по формуле 6:
$$R_{in}< \frac{1}{4\pi \times C_{dif}\times f_{dif}}=\frac{1}{12.56\times 1\:нФ\times 15\:кГц}=5.305\:кОм\approx 5.23\:кОм$$
5,23 кОм (стандартное значение для резисторов 1%).
$$C_{cm}=\frac{1}{10}\times C_{dif}=100\:пФ;\\f_{cm}=\frac{1}{2\pi \times R_{in} \times C_{cm}}=\frac{1}{6.28\times 5.23\:кОм \times 100\:пФ}=304\:кГц$$

$$f_{dif}=\frac{1}{4\pi \times R_{in}\times \left(C_{dif}+\frac{C_{cm}}{2} \right)}=14.5\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Используемые компоненты
Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 46.

Таблица 46. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
ADS8860 16-битный АЦП с SPI-интерфейсом, частотой дискретизации 1 Msps, несимметричным входом и диапазоном Vref 2,4…5,0 В
OPA192 Операционный Rail-to-rail-усилитель с полосой пропускания 10 МГц, низким уровнем шумов 5,5 нВ/√Гц, малым значением напряжения смещения ±5 мкВ и низким дрейфом смещения ±0,2 мкВ/°С (типовые значения)
INA826 Операционный усилитель с полосой пропускания 1 МГц (G = 1), низким уровнем шумов 18 нВ/√Гц, малым значением напряжения смещения ±40 мкВ, низким дрейфом смещения ±0,4 мкВ/°С и низким дрейфом коэффициента усиления 0,1 ppm/°С (типовые значения)

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
  10. Усилитель с малым током смещения для АЦП последовательного приближения

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
ADS8860IDGS (TI)
ADS8860IDGSR (TI)
ADS8860IDRCR (TI)
ADS8860IDRCT (TI)
OPA192IDGKR (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKT (TI)
OPA192IDBVR (TI)
OPA192IDR (TI)
OPA192IDBVT (TI)
OPA192QDGKRQ1 (TI)
INA826AIDGK (TI)
INA826AID (TI)
INA826AIDGKR (TI)
INA826SIDRCR (TI)
INA826AIDR (TI)
INA826SIDRCT (TI)
INA826AIDRGR (TI)