Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 2

26 декабря 2018

управление питаниемTexas 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

Измерения с использованием датчиков малой мощности:
12-битная несимметричная схема с двумя источниками питания на 3,3 В при 1 ksps

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 5 и 6

Таблица 5. Входные и выходные параметры 12-битной схемы

Входной сигнал Входной сигнал АЦП Цифровой выход ADS7042
VinMin = 0 В AinP = 0 В, AinM = 0 В 000H или 010
VinMax = 3,3 В AinP = 3,3 В, AinM = 0 В FFFH или 409610

Таблица 6. Параметры источников питания 12-битной схемы

Источники питания
AVDD Vee Vdd
3,3 В -0,3 В 4,5 В

Описание решения

В данном решении усилитель малой мощности используется для управления АЦП SAR, уровень энергопотребления которого в активном режиме измеряется в нановаттах. Данное решение предназначено для использования в системах сбора данных с датчиков при работе в сигнальных цепях малой мощности, потребляющих всего несколько микроватт. Примерами таких чувствительных к энергопотреблению 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. Давайте рассмотрим упрощенную версию схемы, в которой канал отрицательного напряжения заземлен (рисунок 4). Отрицательное напряжение -0,3 В в этом примере используется для достижения наилучшего диапазона линейного входного сигнала. Для получения дополнительной информации о подборе оптимального соотношения параметров в схеме SAR с малым энергопотреблением ознакомьтесь с видеопрезентацией “SAR ADC Power Scaling” на сайте компании Texas Instruments.

Рис. 4. Упрощенная схема, в которой канал отрицательного напряжения заземлен

Рис. 4. Упрощенная схема, в которой канал отрицательного напряжения заземлен

Спецификации

Таблица 7. Спецификации упрощенной версии 12-битной несимметричной схемы

Спецификации Расчетное значение Смоделированное значение Измеренное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП (1 ksps) <0,5 × МР = 402 мкВ 41,6 мкВ
Ток питания AVDD (1 ksps) 230 нА 214,8 нА
Мощность питания AVDD (1 ksps) 759 нВт 709 нВт
Ток питания операционного усилителя VDD 450 нА 431,6 нА
Мощность питания операционного усилителя VDD 2,025 мкВт 1,942 мкВт
Мощность системы AVDD + VDD (1 ksps) 2,784 мкВт 2,651 мкВт

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.

Чтобы минимизировать искажения, в качестве Cfilt рекомендуется использовать конденсатор типа COG (NPO).

Серия обучающих видеороликов TI “Precision Labs – ADCs” охватывает методы выбора элементов цепи зарядного сегмента Rfilt и Cfilt (см. «Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП»). Параметры данных 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 параметров спецификации вам будет необходимо выбрать другой RC-фильтр.

Выбор компонентов

  • Выбираем операционный усилитель с малым энергопотреблением:
    • энергопотребление < 0,5 мкА;
    • полоса пропускания (GBP) > 5 кГц (пятикратная частота дискретизации);
    • устойчивость при единичном усилении;
    • LPV811 — потребление 450 нА, полоса пропускания (GBP) 8 кГц, устойчивость при единичном усилении.
  • Определяем максимальное и минимальное выходное напряжение операционного усилителя в линейном режиме:
    • Vee + 0 В < Vout < Vdd – 0,9 В из спецификации LPV811 Vcm;
    • Vee+10 мВ < Vout < Vdd – 10 мВ из спецификации LPV811 по размаху выходного напряжения Vout;
    • Vee + 0,3 В < Vout < Vdd – 0,3 В из спецификации LPV811 по коэффициенту усиления линейного напряжения.
  • Производим типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с ожидаемыми значениями:
    • PAVDD = IAVDD_AVG × AVDD = 230 нА × 3,3 В = 759 нВт;
    • PLPV811 = ILPV811 × (Vdd – Vee) = 450 нА × (4,5 В – (-0,3 В)) = 2,16 мкВт;
    • Pобщая = PAVDD + PLPV811 = 759 нВт + 2,16 мкВт = 2,919 мкВт.

Для получения дополнительной информации о подборе оптимального соотношения параметров в схеме SAR с малым энергопотреблением ознакомьтесь с видеопрезентацией “SAR ADC Power Scaling” на сайте Texas Instruments.

  • Производим типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с измеренными значениями:
    • PAVDD = IAVDD_AVG × AVDD = 214,8 нА × 3,3 В = 708,8 нВт;
    • PLPV811 = ILPV811 × (Vdd – Vee) = 431,6 нА × (4,5 В – (-0,3В)) = 2,071 мкВт;
    • Pобщая = PAVDD + PLPV811 = 708,8 нВт + 2,071 мкВт = 2,780 мкВт.
  • Подбираем параметры Rfilt и Cfilt, позволяющие получить стабильный сигнал при 1 ksps. Алгоритм выбора Rfilt и Cfilt представлен в видеопрезентации от TI Precision Labs “Refine the Rfilt and Cfilt Values”. Итоговые значения в 200 кОм и 510 пФ позволяют снизить ошибку установления напряжения до уровня значительно ниже ½ младшего разряда (МР).

Передаточные характеристики по постоянному току

На графике, изображенном на рисунке 5, показано изменение выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 3,3 В. Полный диапазон (FSR) АЦП находится в линейном диапазоне операционного усилителя. Обратитесь к разделу «Определение линейного диапазона SAR АЦП при использовании операционных усилителей» для получения подробной информации по этому вопросу.

Рис. 5. График выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 3,3 В

Рис. 5. График выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 3,3 В

Передаточные характеристики по переменному току

Моделирование полосы пропускания учитывает эффекты выходного импеданса усилителя и цепи зарядного сегмента RC (Rfilt и Cfilt). В формуле 1 показано, что полоса пропускания RC-цепи равна 1,56 кГц. Моделируемая полоса пропускания в 2 кГц учитывает эффекты от выходного импеданса, взаимодействующего с импедансом нагрузки (рисунок 6). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией TI Precision Labs “Op Amps: Bandwidth 1”.

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C{filt}}=\frac{1}{6.28 \times 200\:кОм \times 510\:пФ}=1.56\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Моделируемая полоса пропускания в 2 кГц

Рис. 6. Моделируемая полоса пропускания в 2 кГц

Моделирование установления входного сигнала АЦП

На данной модели можно наблюдать установление входного сигнала на значение 3 В постоянного тока (рисунок 7). Этот 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. 7. Моделирование установления входного сигнала на значение 3 В постоянного тока

Рис. 7. Моделирование установления входного сигнала на значение 3 В постоянного тока

Моделирование шума

Рассмотрим метод упрощенного расчета уровня шума для приблизительной оценки. В вычислениях (формула 2) мы пренебрегаем шумом резистора, поскольку он затухает при частотах выше 10 кГц (рисунок 8).

Рис. 8. Зависимость уровня шума от частоты

Рис. 8. Зависимость уровня шума от частоты

$$f_{c}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C_{filt}}=\frac{1}{6.28\times 200\:кОм\times 510\:пФ}=1560\:Гц\\E_{n}=e_{n811}\times \sqrt{K_{n}\times f_{c}}=\frac{340\:нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 1560\:Гц}=16.8\:мкВ\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

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

Снятие характеристики быстрого преобразования Фурье

Данная характеристика была измерена на модифицированной версии отладочной платы ADS7042EVM со входным синусоидальным сигналом 10 Гц (рисунок 9). Получены следующие характеристики по переменному току: SNR (отношение «сигнал/шум») = 71,0 дБ, THD (полный коэффициент гармоник) = -82,4 дБ и ENOB (эффективное количество бит) = 11,51, что хорошо согласуется с указанными характеристиками АЦП, SNR = 70 дБ и THD = -80 дБ. Измерения были выполнены при комнатной температуре. Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to Frequency Domain”.

Рис. 9. Измерение характеристики быстрого преобразования Фурье на модифицированной версии отладочной платы ADS7042EVM

Рис. 9. Измерение характеристики быстрого преобразования Фурье на модифицированной версии отладочной платы ADS7042EVM

Компоненты, примененные в рассматриваемой схеме, представлены в таблице 8

Таблица 8. Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности

Наименование Основные характеристики
ADS7042* 12-разрядное разрешение, SPI, частота дискретизации 1 Msps, односторонний вход, диапазон входного сигнала AVDD 1,6…3,6 В
LPV811** Ширина полосы 8 кГц, выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой, ток питания 450 нА, стабильность при единичном усилении
* – В АЦП ADS7042 AVDD используется в качестве опорного входного сигнала. В качестве источника питания следует использовать LDO-регулятор с высоким уровнем подавления пульсаций, например, TPS7A47.
** – Операционный усилитель LPV811 также широко применяется в низкоскоростных решениях для датчиков. Кроме того, выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой обеспечивает линейный размах по всему диапазону входного напряжения АЦП.

Проектные файлы для приведенной схемы

Оригинал статьи.

Список ранее опубликованных глав

  1. Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя

Перевел Александр Леонович 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
ADS7042IDCUT (TI)
ADS7042IRUGR (TI)
ADS7042EVM-PDK (TI)
ADS7042IDCUR (TI)
LPV811DBVT (TI)
LPV811DBVR (TI)
TPS7A4701RGWR (TI)
TPS7A4700RGWT (TI)
TPS7A4701RGWT (TI)
TPS7A4700RGWR (TI)
ADS1235IRHBT (TI)
ADS1235EVM (TI)
ADS1235IRHBR (TI)
TLV8542DR (TI)
TLV8542RUGR (TI)