Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 12

10 сентября

автоматизацияответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Арт Кей (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 буферном инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 47 и 48.

Таблица 47. Исходные данные к расчету схемы усилительного каскада

Вход Вход АЦП Цифровой выход ADS8860
-10 мВ Out = 0,2 В 0A3DH или 262110
5 мВ Out = 4,8 В F5C3H или 6291510

Таблица 48. 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

Для работы с дифференциальными датчиками часто используют инструментальные усилители. Они необходимы для того чтобы усилить низковольтный дифференциальный сигнал, прежде чем подавать его на вход АЦП. Главными преимуществами инструментальных усилителей являются: низкое смещение и дрейф, а также минимальный шум. Вместе с тем инструментальные усилители, как правило, обладают относительно низкой нагрузочной способностью и не всегда способны перезаряжать входную емкость быстродействующих АЦП, особенно при использовании высокой частоты дискретизации. В этой статье данная проблема решается с помощью дополнительного широкополосного буфера (рисунок 62). Еще одним преимуществом инструментальных усилителей является их способность работы с высоковольтными входными сигналами до ±15 В. Это оказывается очень удобным для нормирования сигналов до диапазона 0…5 В перед подачей их на низковольтный вход АЦП. К сожалению, в процессе работы схемы могут возникать ситуации, когда выходное напряжение инструментального усилителя будет превышать допустимый входной диапазон буфера 0…5 В. Для защиты от таких перенапряжений могут использоваться встроенные ограничительные диоды ОУ, а для ограничения тока будет достаточно резистора, пример расчета которого приведен в данной статье.

Рис. 62. Схема измерения сигнала дифференциального датчика с инструментальным усилителем и дополнительным буферным ОУ

Рис. 62. Схема измерения сигнала дифференциального датчика с инструментальным усилителем и дополнительным буферным ОУ

Рассматриваемая схема подходит для работы не только с мостовыми датчиками, но и с другими типами дифференциальных сенсоров. Она используется в различных приложениях, например, в модулях аналоговых входов, электрокардиографах (ЭКГ), пульсометрах, лабораторном оборудовании и диагностических модулях для железнодорожного транспорта. Стоит отметить, что в предыдущей части уже рассматривалась аналогичная схема, однако в ней отсутствовал буфер.

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 49.

Таблица 49. Ключевые параметры схемы усилительного каскада

Параметр Расчетное значение Значение, полученное при моделировании
Частота дискретизации, Msps 1 1, установление при -44 мкВ
Смещение (вход АЦП) 40 мкВ × 306,7 = 12,27 мВ 16 мВ
Дрейф смещения, мкВ/ºC 0,4 × 306,7 = 123 Нет данных
Шум, мкВ 978 568 (ср. кв.)

Обратите внимание:

  • Полоса пропускания инструментальных усилителей обычно слишком мала, чтобы напрямую работать с АЦП последовательного приближения при высокой частоте дискретизации. В нашем случае полоса пропускания INA826 составляет 10,4 кГц при коэффициенте усиления 305 В/В. Большая полоса пропускания необходима, так как цепочка переключаемых конденсаторов АЦП последовательного приближения требует перезарядки в каждом цикле измерения. Буфер OPA320 необходим для того чтобы обеспечить требуемую частоту дискретизации АЦП ADS8860 1 MSPS.
  • Коэффициент усиления инструментального усилителя должен соответствовать диапазону входных напряжений буферного ОУ. Для смещения выходного сигнала следует использовать референсный вход инструментального усилителя.
  • Коэффициент усиления INA826 выбирается таким образом, чтобы выходной сигнал находился в диапазоне допустимых входных напряжений буфера. Однако в некоторых случаях, например, при запуске или при отключении датчика, выходное напряжение инструментального усилителя может принимать значение напряжения питания (±15 В). Для ограничения тока при возникновении таких ситуаций используется резистор R3. Подробнее этот вопрос рассматривается в разделе, посвященном защите входа буфера от перенапряжений.
  • 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. Для получения подробной информации обратитесь к документу «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 (C1 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. Для получения подробной информации посмотрите видеоролик «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):

$$GAIN=\frac{V_{out\_max}-V_{out\_min}}{V_{in\_max}-V_{in\_min}}=\frac{4.8\:В-0.2\:В}{5.0\:мВ-(-10\:мВ)}=306.7\frac{В}{В};\\GAIN=1+\frac{49.4\:кОм}{R_{g}};\\R_{g}=\frac{49.4\:кОм}{GAIN-1}=\frac{49.4\:кОм}{306.7-1}=161.6\:Ом\approx 162\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

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

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

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

С учетом формулы 1 и выбранного значения Rg, получаем формулу 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 63). Предлагаемые значения составляют 11,3 кОм и 21,5 кОм для R1 и R2 соответственно. Проверим получаемое значение Vref (формула 4):

Рис. 63. Для расчета резистивного делителя следует воспользоваться калькулятором «Analog Engineer's Calculator»

Рис. 63. 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 для INA826 (рисунок 64).

Рис. 64. Проверка диапазона синфазных напряжений INA826

Рис. 64. Проверка диапазона синфазных напряжений INA826

Передаточные характеристики по постоянному току

На рисунке 65 представлена передаточная характеристика схемы в диапазоне 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». Если выходное напряжение INA826 превышает диапазон входных напряжений операционного усилителя, происходит включение встроенных ESD-диодов (это будет продемонстрировано ниже, на рисунке 69), которые ограничивают это напряжение. Для ограничения тока используется резистор R3 (раздел «Защитный фильтр между инструментальным усилителем и буфером»). Выходной сигнал буфера лежит в рамках допустимого диапазона входных напряжений АЦП ADS8860 (-0,3 В…(REF + 0,3) В).

Рис. 65. Передаточная характеристика схемы

Рис. 65. Передаточная характеристика схемы

Частотные характеристики схемы

Полоса пропускания предлагаемой схемы составила 11,45 кГц (рисунок 66). Такая полоса пропускания оказывается недостаточной для работы АЦП при максимальной частоте дискретизации. Для получения подробной информации по этому вопросу следует обратиться к серии обучающих видео «Op Amps: Bandwidth».

Рис. 66. Схема АЧХ

Рис. 66. Схема АЧХ

Моделирование переходных характеристик

Для получения требуемого быстродействия измерительной схемы использовался дополнительный буфер OPA320 с полосой пропускания 20 МГц. Этот операционный усилитель успевает перезаряжать входную емкость АЦП ADC8860. Моделирование подтверждает, что параметры входного фильтра выбраны верно (рисунок 67). Для получения подробной информации посмотрите видеоролик «Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection».

Рис. 67. Отклик схемы на входной импульс +15 мВ

Рис. 67. Отклик схемы на входной импульс +15 мВ

Моделирование шумовых характеристик

Результаты грубого расчета полного шума схемы представлены на рисунке 68. Вклад операционного усилителя OPA192 в общий шум схемы оказывается незначительным и не учитывается. Основным источником шума в схеме является инструментальный усилитель, работающий с большим коэффициентом усиления (формула 5):

$$E_{n}=GAIN\times \sqrt{e_{NI}^2+\left(\frac{e_{NO}}{GAIN} \right)^2}\times \sqrt{k_{N}\times f_{C}}=738\:мкВ\sqrt{Гц}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Расчетное и смоделированное значения шума практически совпадают (таблица 49). Для получения подробной информации по шумам операционных усилителей посмотрите видеоролик «TI Precision Labs – Op Amps: Noise 4». Для получения подробной информации по шумам АЦП следует обратиться к программе «Calculating the Total Noise for ADC Systems».

Рис. 68. Общий шум схемы

Рис. 68. Общий шум схемы

Защитный фильтр между инструментальным усилителем и буфером

Фильтр между инструментальным усилителем INA826 и буферным операционным усилителем OPA320 выполняет две функции. С одной стороны, он защищает OPA320 от перенапряжений, а с другой – выступает в роли антиалиасингового фильтра. Коэффициент усиления INA826 нужно выбирать таким образом, чтобы в нормальных условиях выходной сигнал находился в диапазоне допустимых входных напряжений буфера (0…5 В). Тем не менее, в некоторых случаях, например, при включении питания или при отключении датчика, выходное напряжение INA826 может достигать напряжения питания (±15 В). В таких случаях резистор R3 служит для ограничения входного тока OPA320. При перенапряжениях происходит включение встроенных ESD-диодов буферного операционного усилителя OPA320 (рисунок 69), которые ограничивают это напряжение на уровне напряжения питания буфера. В примере, изображенном на рисунке 69, выброс напряжения перенаправляется ESD-диодами на положительный вход питания, где происходит его ограничение с помощью TVS-диода D1 (SMAJ5.0). Ниже (формула 6) представлен расчет резистора R3, который выбран таким образом, чтобы входной ток OPA320 не превышал максимально допустимое значение 10 мА. Для получения дополнительной информации посмотрите видеоролик «TI Precision Labs – Op Amps: Electrical Overstress (EOS)».

$$R_{3}>\frac{V_{INA}-V_{OpaSupply}-0.7\:В}{I_{ABS\_MAX\_OPA}}=\frac{15\:В-5.0\:В-0.7\:В}{10\:мА}=0.93\:кОм$$
Выбрано стандартное значение 10 кОм.

$$C_{1}=\frac{1}{2\pi \times R_{3}\times f_{C}}=\frac{1}{6.28 \times 10\:кОм \times 15\:кГц}=1.06\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$
Выбрано стандартное значение 1 нФ.

Рис. 69. Расчет защитного фильтра

Рис. 69. Расчет защитного фильтра

Опциональный входной фильтр

На рисунке 70 изображен типовой входной фильтр для инструментального усилителя. Конденсатор Cdif необходим для подавления дифференциального шума, а конденсаторы Ccm1 и Ccm2 обеспечивают фильтрацию синфазных сигналов. Рекомендуемое значение Cdif должно быть как минимум в 10 раз больше, чем емкость 10 Ccm. В противном случае из-за рассогласования номиналов компонентов возможно превращение синфазного шума в дифференциальный. Частота среза предлагаемого фильтра составляет 15 кГц.

Полагая, что Cdif = 1 нФ и fdif = 15 кГц, можно рассчитать номиналы компонентов фильтра по формуле 7:
$$R_{in}< \frac{1}{4\pi \times C_{dif}\times f_{dif}}=\frac{1}{12.56\times 1\:нФ\times 15\:кГц}=5.305\:кОм\approx 5.23\:кОм$$
5,23 кОм (стандартное значение для резисторов 1%).
$$C_{cm}=\frac{1}{10}\times C_{dif}=100\:пФ;\\f_{cm}=\frac{1}{2\pi \times R_{in} \times C_{cm}}=\frac{1}{6.28\times 5.23\:кОм \times 100\:пФ}=304\:кГц$$

$$f_{dif}=\frac{1}{4\pi \times R_{in}\times \left(C_{dif}+\frac{C_{cm}}{2} \right)}=14.5\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Рис. 70. Типовой входной фильтр для инструментального усилителя

Рис. 70. Типовой входной фильтр для инструментального усилителя

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 50.

Таблица 50. 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, 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, 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
  11. Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

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
INA826AID (TI)
INA826AIDGK (TI)
INA826AIDRGT (TI)
INA826AIDGKR (TI)
INA826SIDRCR (TI)
ADS8860IDGS (TI)
ADS8860IDGSR (TI)
ADS8860IDRCR (TI)
ADS8860IDRCT (TI)
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
OPA320SAIDBVR (TI)
OPA320SAIDBVT (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA192IDBVT (TI)
OPA192QDGKRQ1 (TI)
OPA192IDGKR (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKT (TI)