Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 16

21 октября

учёт ресурсовавтоматизациялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

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

Двухполярная схема питания для ОУ на базе LDO-стабилизатора TPS7A3901

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблице 69.

Таблица 69. Исходные данные к расчету двухполярной схемы питания

Вход, В Выход, В Выходной шум, мкВ (RMS)
Vin+ > 6 5,2 27
Vin- < -5 -0,200 22

Описание схемы

На рисунке 85 представлена схема, которая формирует два уровня напряжений для питания операционного усилителя: положительное 5,2 В и небольшое отрицательное -0,2 В. При необходимости уровни выходных напряжений могут подстраиваться с помощью резистивных делителей. Небольшое отрицательное напряжение необходимо для обеспечения линейности выходной характеристики операционного усилителя вблизи границ рабочего диапазона (5 В и 0 В). В данной схеме напряжения формируются с помощью единственного LDO-стабилизатора TPS7A3901. Главной особенностью этого стабилизатора является возможность подстройки уровня отрицательных напряжений. Предложенная схема может использоваться в широком спектре промышленных приложений.

Рис. 85. Источник питания операционного усилителя с отрицательным выходным напряжением

Рис. 85. Источник питания операционного усилителя с отрицательным выходным напряжением

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 70.

Таблица 70. Ключевые параметры схемы

Параметр Условия Значения, указанные в документации, дБ Значение, полученное при тестировании, дБ
SNR Vin_max = 5 В, Vin_min = 0 В 104,5 102,2
THD Vin_max = 5 В, Vin_min = 0 В -125 -123,5

Примечания

  • определите линейный диапазон операционного усилителя с учетом синфазного напряжения, размаха выходного сигнала и линейного диапазона коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью;
  • установите выходные напряжения LDO-стабилизатора с учетом линейного диапазона ОУ;
  • для обеспечения температурной стабильности следует использовать керамические конденсаторы X7R;
  • если в схеме нет собственного источника отрицательного напряжения, то в качестве альтернативного решения вместо TPS7A3901 может быть использован малошумящий генератор отрицательного напряжения LM7705 производства Texas Instruments.

Выбор компонентов схемы

  • На рисунке 86 представлена традиционная схема буфера на базе ОУ OPA320. Ее главным отличием являются уровни питающих напряжений. Для обеспечения линейности в заданном рабочем диапазона 0…5 В были выбраны питающие напряжения с запасом 200 мВ.
  • Определяем номиналы сопротивлений резистивных делителей с учетом требуемых значений выходных напряжений LDO-стабилизатора. Значения, полученные для рассматриваемой схемы, представлены в таблице 71.

Рис. 86. Буфер на базе ОУ OPA320

Рис. 86. Буфер на базе ОУ OPA320

Таблица 71. Номиналы сопротивлений резистивных делителей

Желаемое напряжение, В R1, кОм R2, кОм
+5,2 34 10
-0,2 1,69 10

Анализ шумов и искажений в схеме с АЦП ADS8900B при использовании питающих напряжений 5,2 В и -0,2 В

На рисунке 87 представлен спектр входного сигнала 2 кГц, полученный при выполнении быстрого преобразования Фурье. Показания SNR и THD измерялись при амплитуде входного сигнала 5 В. Далее будет показано, что показатели SNR и THD данной схемы существенно превосходят показатели схемы с напряжениями питания 5 В и 0 В. Таким образом, использование TPS7A3901 является хорошим решением, если требуется поучить небольшое отрицательное напряжение питания.

Рис. 87. Спектр сигнала на входе АЦП при использовании питающих напряжений 5,2 В и -0,2 В

Рис. 87. Спектр сигнала на входе АЦП при использовании питающих напряжений 5,2 В и -0,2 В

Анализ шумов и искажений в схеме с АЦП ADS8900B при использовании питающих напряжений 5,0 В и 0 В

На рисунке 88 представлен спектр входного сигнала 2 кГц в схеме с АЦП ADS8900B при использовании питающих напряжений 5,0 В и 0 В. Как видно из графика, шумовой спектр оказался значительно хуже, чем в предыдущем случае. То же самое можно сказать и про значения SNR и THD.

Рис. 88. Спектр сигнала на входе АЦП при использовании питающих напряжений 5,0 В и 0 В

Рис. 88. Спектр сигнала на входе АЦП при использовании питающих напряжений 5,0 В и 0 В

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 72.

Таблица 72. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
TPS7A3901 Двухканальный LDO-регулятор с высоким значением PSRR и выходным током до 150 мА. Стабилизатор имеет широкий диапазон входных напряжений 1,2…30 В для положительного входа и 0…-30 В для отрицательного входа. Идеально подходит для приложений, в которых требуется небольшое отрицательное напряжение, например, для ОУ с однополярным питанием. При этом линейный диапазон ОУ расширяется вплоть до напряжений 0 В.
ADS8900B АЦП последовательного приближения с дифференциальными входами, встроенным буфером опорного напряжения и SPI-интерфейсом.
OPA320 Прецизионный операционный КМОП-усилитель, с rail-to-rail-входами и выходами, полосой пропускания 20 МГц.

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
  12. Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах
  13. Уменьшение влияния внешнего RC-фильтра на погрешность и дрейф коэффициента усиления аналогового фронтэнда (AFE): ±10 В, до 200 кГц, 16 бит
  14. Расчет антиалайзингового фильтра с заданной частой среза для АЦП последовательного приближения
  15. Измерительная схема на АЦП ADS8689 с изолированным SPI-интерфейсом

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
TPS7A3901DSCR (TI)
TPS7A3901DSCT (TI)
LM7705MME/NOPB (TI)
LM7705MMEVAL (TI)
LM7705MMX/NOPB (TI)
LM7705MM/NOPB (TI)
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320SAIDBVT (TI)
OPA320AQDBVRQ1 (TI)
OPA320AIDBV (TI)
OPA320AQDBVTQ1 (TI)
ADS8900BRGET (TI)
ADS8900BRGER (TI)