Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 5

Эван Сойер (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

Схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с использованием дифференциального усилителя

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 17 и 18

Таблица 17. Входные и выходные параметры схемы преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный

Входной сигнал Входной сигнал АЦП Цифровой выход ADS7057
VinMin = -3,3 В AINP = 0 В, AINM = 3,3 В 2000H, 819210
VinMax = 3,3 В AINP = 3,3 В, AINM = 0 В 1FFFH, 819110

Таблица 18. Параметры источников питания схемы преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный

Источники питания
AVDD GND DVDD
3,3 В 0 В 1,8 В

Описание решения

Схема, приведенная на рисунке 23, демонстрирует возможности управления дифференциальным АЦП c преобразованием биполярного несимметричного сигнала в однополярный полностью дифференциальный сигнал (для получения дополнительной информации об этих и других типах сигналов, обратитесь к обучающим материалам TI PrecisionLabs, раздел «Типы входных сигналов SAR АЦП»). По сравнению с несимметричными моделями, полностью дифференциальный АЦП имеет вдвое больший динамический диапазон, что улучшает характеристики преобразователя по переменному току. Многие системы, например, эхолоты, расходомеры и системы управления двигателями, выигрывают от более высокой производительности дифференциального АЦП. В зависимости от конкретных спецификаций и требований конечной системы, соответствующие формулы расчетов и алгоритм выбора компонентов для данной схемы могут варьироваться. Для получения дополнительной информации о подобных схемах, работающих с однополярным входным сигналом, читайте статью «Преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный для однополярных сигналов».

Рис. 23. Возможности управления дифференциальным АЦП c преобразованием биполярного несимметричного сигнала в однополярный полностью дифференциальный сигнал

Рис. 23. Возможности управления дифференциальным АЦП c преобразованием биполярного несимметричного сигнала в однополярный полностью дифференциальный сигнал

Таблица 19.  Спецификации упрощенной версии схемы преобразователя

Спецификации Расчетное значение Смоделированное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП при 250 ksps (LSB – единица младшего разряда) <0,5, LSB = 201 мкВ 134,7 мкВ
Диапазон сформированного сигнала (при 250 ksps) >99% Полного диапазона АЦП ⇒ 6,53 В 6,60 В
Шумовые характеристики 43,8 мкВ/√Гц 44,3 мк/√Гц

Рекомендуем обратить внимание

  1. Модель АЦП ADS7057 была выбрана исходя из ее пропускной способности (2,5 Мбит/с), размера (2,25 мм²) и малой задержки (архитектура АЦП последовательного приближения или SAR).
  2. Определите линейный диапазон дифференциального усилителя (драйвера АЦП) на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе о выборе компонентов.
  3. Определите линейный диапазон операционного усилителя (предварительное формирование сигнала) на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе о выборе компонентов.
  4. Чтобы минимизировать искажения, в качестве Cfilt рекомендуется использовать конденсатор типа COG (NPO).
  5. Для получения наилучших характеристик и уменьшения искажения рекомендуется использовать пленочные резисторы 0,1% 20ppm/°C или выше.
  6. Серия обучающих видеороликов “TI PrecisionLabs – ADCs” посвящена методам выбора элементов для цепи фильтра Rfiltx и Cfilt. Данные параметры 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 выбранных моделей усилителя и АЦП. В случае изменения дизайна выберите другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео “Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП”, в котором представлена дополнительная информация о выборе RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов

  • Выберите дифференциальный усилитель, способный управлять АЦП. Например, THS4551 – дифференциальный прецизионный усилитель с низким уровнем шума на 150 МГц:
  • широкий диапазон синфазного входного напряжения: Vs- -0,1 В < Vcm < Vs+ -1,3 В;
  • линейное выходное напряжение (требование 0…3,3 В на каждом выходе): Vs- + 0,22 В < Vout < Vs+ -0,22 В.
  • Выберите операционный усилитель с широкой полосой пропускания. Например, OPA320 – прецизионный операционный усилитель типа Zero Crossover на 20 МГц, RRIO:
  • частотная эффективность (GBP) > 12,5 МГц (более чем пятикратная частота дискретизации);
  • диапазон синфазного входного напряжения (требование: ±1,65 В): V -0,1 В < Vcm < V+ -0,1 В;
  • линейное выходное напряжение: V +0,03 В < Vout < V+ -0,03 В, V +0,2 В < Vout< V+ -0,2 В
  • комбинированный линейный диапазон для наихудшего случая (рассчитывается на основе компонентов, используемых с OPA320): -2,3 В < Vout < 2,3 В.

Примечание. Операционный усилитель используется для защиты датчика от возможных обратных выбросов заряда, которые возникают, когда АЦП подключает или отключает конденсатор на входе. Усилитель может не понадобиться, если датчик имеет высокий выходной импеданс. Отрицательная шина используется как для OPA320, так и для THS4551, исходя из предположения, что датчик работает с отрицательной шиной. Это также позволяет добиться наилучшей производительности АЦП, обеспечивая полный диапазон входного напряжения.

  • Выберите Rfx и Rgx:
  • комбинация Rfx и Rgx определяет коэффициент усиления системы. При входном диапазоне напряжений ±1,65 В и полном диапазоне АЦП ±3,3 В коэффициент усиления для этой системы был выбран равным 2;
  • значения Rfx = 2k и Rgx = 1k были выбраны для обеспечения требуемого коэффициента усиления, а также для ограничения тока через контур обратной связи; тем самым минимизируется энергопотребление системы.
  • Выберите Rsx:
  • резисторы малого сопротивления (в данном примере – 10 Ом) на выходе усилителя играют важную роль, позволяя сгладить выходной импеданс и улучшить стабильность системы.
  • Выберите значения Rfiltx и Cfilt для установления входного сигнала 250 кГц и частоты дискретизации 2,5 Msps:
  • алгоритм выбора Rfiltx и Cfilt представлен в видеопрезентации от TI PrecisionLabs “Refine the Rfilt and Cfilt Values”. Итоговые значения в 18,2 Ом и 330 пФ позволяют добиться ошибки установления напряжения значительно ниже ½ младшего разряда (LSB) в пределах времени преобразования.

Передаточные характеристики по постоянному току

На графике, изображенном на рисунке 24, показана зависимость смоделированного выходного напряжения от входного сигнала ±1,65 В. Аналоговый интерфейс имеет линейный диапазон выходного напряжения ±3,3 В, что соответствует полному диапазону (FSR) АЦП при AVDD = 3,3 В.

Рис. 24. Зависимость смоделированного выходного напряжения от входного сигнала ± 1,65 В

Рис. 24. Зависимость смоделированного выходного напряжения от входного сигнала ± 1,65 В

Передаточные характеристики по переменному току

Полоса пропускания аналогового входного блока моделируется равной 4,12 МГц при коэффициенте усиления 0 дБ, что соответствует линейному коэффициенту усиления равному 1 (рисунок 25). Данное значение полосы пропускания позволит входному сигналу АЦП адекватно устанавливаться при 250 ksps.

Рис. 25. Полоса пропускания аналогового входного блока

Рис. 25. Полоса пропускания аналогового входного блока

Моделирование установления входного сигнала АЦП

На рисунке 26 показано установление конденсатора УВХ АЦП для входного сигнала 3,3 В постоянного тока. Результаты моделирования показывают, что аналоговый входной блок может управлять АЦП с большим диапазоном входного напряжения (0…3,3 В), поэтому АЦП устанавливается в пределах ½ от младшего разряда (приблизительно 200 мкВ) за отведенное время преобразования сигнала (95 нс). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection”. Чтобы скачать исходные файлы моделирования, перейдите по ссылке в конце данной статьи.

Рис. 26. Установление конденсатора УВХ АЦП для входного сигнала 3,3 В постоянного тока

Рис. 26. Установление конденсатора УВХ АЦП для входного сигнала 3,3 В постоянного тока

Моделирование шума

Давайте рассмотрим упрощенный расчет шумовых характеристик, что дает приблизительную оценку для сравнения с результатом моделирования. В расчеты включен шум резисторов, поскольку он составляет значительную часть общего шума системы. Обратите внимание, что шумовой вклад резисторов может быть уменьшен путем применения резисторов меньшего номинала, но за счет увеличения потребляемой мощности через контур обратной связи (формула 1):

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C_{filt}}=\frac{1}{6.28\times 2\:кОм\times 30\:пФ}=2.65\:МГц;$$
$$E_{n}=e_{OPA320}\times \sqrt{2\times K_{n}\times f_{C}}=\left(7\:нВ/\sqrt{Гц} \right)\times \sqrt{2\times 1.57\times 2.65\:МГц}=20.2\:мкВ/\sqrt{Гц};$$
$$E_{n\_OPA320}=E_{n}\times Gain=20.2\:мкВ/\sqrt{Гц}\times 2=40.4\:мкВ/\sqrt{Гц};$$
$$E_{n\_THS4551}=e_{n\_THS4551}\times \sqrt{2\times K_{n}\times f_{C}}=\left(3.3\:нВ/\sqrt{Гц} \right)\times \sqrt{2\times 1.57\times 2.65\:МГц}=9.52\:мкВ/\sqrt{Гц};$$
$$E_{Rg}=\frac{\sqrt{4\times k\times T\times R_{g}}}{1\cdot 10^{-9}}\times \frac{R_{f}}{R_{g}}\times \sqrt{2}=\frac{\sqrt{4\times 1.38\cdot 10^{-23}\times (273.15+25)\times 1000}}{1\cdot 10^{-9}}\times \frac{2000}{1000}\times \sqrt{2}=11.47\:мкВ/\sqrt{Гц};$$
$$E_{Rf}=\frac{\sqrt{4\times k\times T\times R_{f}}}{1\cdot 10^{-9}}\times \frac{R_{f}}{R_{g}}\times \sqrt{2}=\frac{\sqrt{4\times 1.38\cdot 10^{-23}\times (273.15+25)\times 2000}}{1\cdot 10^{-9}}\times \sqrt{2}=8.11\:мкВ/\sqrt{Гц}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Расчет общего шума на выходе вычисляется по формуле 2:

$$E_{n}=\sqrt{E_{n\_OPA320}^2+E_{n\_THS4551}^2+E_{Rg}^2+E_{Rf}^2}=\sqrt{40.4^2+9.52^2+11.47^2+8.11^2}=43.8\:мкВ/\sqrt{Гц}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения практически совпадают (рисунок 27). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Calculating the Total Noise for ADC Systems”.

Рис. 27. Рассчитанные и смоделированные значения шумовых характеристик

Рис. 27. Рассчитанные и смоделированные значения шумовых характеристик

Список применяемых устройств и их основные характеристики приведены в таблице 20.

Таблица 20. Устройства, задействованные в решении

Наименование Основные характеристики
ADS7057 14 бит, 2,5 Msps, полностью дифференциальный входной сигнал, SPI, площадь на плате 2,25 мм2
THS4551 Полностью дифференциальный усилитель 150 МГц, шум входного напряжения 3,3 нВ/√Гц
OPA320 Прецизионный операционный усилитель типа Zero Crossover на 20 МГц, 0,9 пА, RRIO

Примечание. В АЦП ADS7057 AVDD используется в качестве опорного входного сигнала. В качестве источника питания следует использовать LDO-регулятор с высоким уровнем подавления пульсаций, например, TPS7A47.

Дополнительные материалы

  1. Проектные файлы для приведенной схемы.
  2. Преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный для однополярных сигналов.
  3. www.ti.com/adcs
  4. www.ti.com/precisionadc

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
•••

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
ADS7057EVM-PDK (TI)
ADS7057IRUGR (TI)
THS4551IDGKT (TI)
THS4551IRUNT (TI)
THS4551IRGTR (TI)
OPA320AIDBV (TI)
OPA320AQDBVTQ1 (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
TPS7A4701RGWR (TI)
TPS7A4700RGWT (TI)
TPS7A4701RGWT (TI)
ADS8509EVM (TI)
ADS8509IBDBR (TI)
ADS8509IBDWR (TI)
ADS8506 (TI)
ADS8506IBDWRG4 (TI)
ADS8506IDWRG4 (TI)
ADS8505IBDB (TI)
ADS8505IBDW (TI)
ADS8505IDB (TI)