Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 6

Луис Чоуе (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 истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 21 и 22.

Таблица 21. Входные и выходные параметры схемы истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП

Входное напряжение
(буферы OPA197)
Выход THS4551, вход АЦП Цифровой выход ADS8912B
VinP = -12 В, VinN = +12 В,
VinDifMin = -24 В
VoutDif = -4,00 В, VoutP = 0,25 В, VoutN = 4,25 В 238E3H – 11650910
VinP = +12 В, VinN = -12 В,
VinDifMax = +24 В
VoutDif = +4,0 В, VoutP = 4,25 В, VoutN = 0,25 В 1C71CH + 11650810

Таблица 22. Параметры источников питания схемы истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП

Источники питания и опорного напряжения
HVDD HVSS Vcc Vee Vref Vcm
+15 В -15 В +5,0 В 0 В +4,5 В 2,5 В

Описание решения

Представленное решение для выборки данных аналогового входного блока SAR АЦП (рисунок 28) позволяет измерять истинное дифференциальное напряжение сигналов в диапазоне ±24 В (или для абсолютного диапазона входного сигнала VinP = ±12 В, VinN = ±12 В), обеспечивая высокое входное сопротивление при скоростях передачи данных до 500 ksps с 18-битным разрешением. Для буферизации входов дифференциального усилителя используется 36-вольтовый прецизионный усилитель с полным размахом напряжения и с малым значением входного тока смещения. Дифференциальный усилитель ослабляет и смещает сигнал в диапазон дифференциального и синфазного напряжений SAR АЦП. Значения в разделе выбора компонентов могут быть скорректированы с учетом различных уровней входного напряжения.

Рис. 28. Схема решения для выборки данных аналогового входного блока SAR АЦП

Рис. 28. Схема решения для выборки данных аналогового входного блока SAR АЦП

Данная реализация схемы используется для точного измерения истинного дифференциального напряжения в испытательном оборудовании специализированного применения, платах сбора данных (DAQ) и модулях аналоговых входных сигналов, применяемых в системах на основе программируемых контролеров автоматизации, дискретных систем управления и программируемых логических контроллеров.

Спецификации решения приведены в таблице 23.

Таблица 23. Спецификации решения для выборки данных аналогового входного блока SAR АЦП

Спецификации Целевое значение Расчетное значение Смоделированное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП (при 500 ksps) (LSB – единица младшего разряда) <<1 LSB; <<34 мкВ 0,5 мкВ
Уровень шума (на входе АЦП) 10μ VRMS 9,28 μ VRMS 9,76 μ VRMS
Полоса пропускания 1,25 МГц 1,25 МГц 1,1 МГц

Рекомендуем обратить внимание

  • Проверьте величину линейного диапазона операционного усилителя (буфера) на основе значений синфазного напряжения и размаха выходного напряжения для линейного режима. Это описано в разделе выбора компонентов. Выберите усилитель с малой величиной входного тока смещения.
  • Определите характеристики полного диапазона и синфазного диапазона АЦП. Это описано в разделе выбора компонентов.
  • Определите требуемое ослабление напряжения для дифференциального усилителя на основе данных об амплитуде входного сигнала, полного диапазона АЦП и значений размаха выходного напряжения самого усилителя. Это описано в разделе выбора компонентов.
  • Используйте конденсаторы COG для минимизации искажений.
  • Используйте пленочные резисторы 0,1% 20 ppm/°C или лучших значений для повышения точности, снижения дрейфа коэффициента усиления и минимизации искажений.
  • В обучающем видео «Понимание и калибровка смещения и усиления для систем АЦП» («Understanding and Calibrating the Offset and Gain for ADC Systems») приведены методы анализа ошибок. Рекомендуем ознакомиться с ресурсом по ссылке, чтобы узнать, как минимизировать ошибки усиления, смещения, дрейфа усиления и улучшить шумовые характеристики.
  • Обучающее видео «Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП» («Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection» рассказывает о методах выбора элементов для цепи фильтра Rfilt 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 усилителя, параметров усиления и преобразователя данных из данного примера. В случае изменения дизайна выберите другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающими видео Precision Labs, в котором представлена дополнительная информация по выбору RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов и настройка буферного и дифференциального усилителей

  • Проверьте диапазон входных напряжений буферного усилителя в линейном режиме: выберите источники питания со значениями (V-) = -15 В, (V+) = +15 В, чтобы обеспечить диапазон VinP = ±12 В… VinN = ±12 В.

(V-) – 0,1 В < Vcm < (V+) – 3 В из спецификации OPA197 по диапазону синфазного напряжения;

-15,1 В < Vcm < +12 В позволяет получить требуемый размах входного напряжения ±12 В.

  • Проверьте диапазон выходных напряжений буферного усилителя в линейном режиме:

(V-) + 0,6 В < Vout < (V+) – 0,6 В из спецификации OPA197 по коэффициенту усиления линейного напряжения;

-14,4 В < Vout < 14,4 В позволяет получить требуемый размах выходного напряжения ±12 В.

  • Определите полный диапазон входных напряжений АЦП. Для данной схемы VREF = 4,5 В:

ADCFullScaleRange = ±VREF = ±4,5 В из спецификации ADS8910B.

  • Определите требуемый диапазон синфазного напряжения для АЦП (формула 1):

$$V_{cm}=\frac{+V_{REF}}{2}=+2.25\:В\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Взято из спецификации ADS8910B, следовательно установите для дифференциального усилителя значение VCOM = 2,25 В.

  • Определите диапазон абсолютных выходных напряжений дифференциального усилителя в линейном режиме:

0,23 < Vout < 4,77 В из спецификации THS4551 для минимального/максимального значения выходного линейного напряжения.

Тем не менее, положительная граница диапазона будет ограничена величиной ADCFullScaleRange ±4,5 В, следовательно:

0,23 В < Vout < 4,5 В, где VoutMin = 0,23 В, VoutMax = 4,5 В.

  • Определите диапазон дифференциальных выходных напряжений дифференциального усилителя в линейном режиме. Общие формулы 2 и 3 выходного напряжения для данной схемы:

$$V_{outMin}=\frac{V_{outDifMin}}{2}+V_{cm}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

$$V_{outMax}=\frac{V_{outDifMax}}{2}+V_{cm}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Преобразуйте эти формулы и решите задачу для VoutDifMin и VoutDifMax.

Определите максимальный диапазон дифференциального выходного напряжения для наихудшего случая (формула 4):

$$V_{outDifMax}=2\times V_{outMax}-2\times V_{cm}=2\times (4.5\:В)-2\times (2.25\:В)=+4.5\:В\\V_{outDifMin}=2\times V_{outMin}-2\times V_{cm}=2\times (0.23\:В)-2\times (2.25\:В)=-4.04\:В\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Для такого обобщенного наихудшего случая выберите VoutDifMin = -4,04 В и VoutDifMax = +4,04 В.

  • Определите диапазон дифференциальных входных напряжений дифференциального усилителя (формула 5):

$$V_{inDifMax}=V_{inPMax}-V_{inNMin}=(+12\:В)-(-12\:В)=+24\:В\\V_{inDifMin}=V_{inPMin}-V_{inNMax}=(-12\:В)-(+12\:В)=-24\:В\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Определите требуемый коэффициент ослабления напряжения дифференциального усилителя (формула 6):

$$Gain_{FDA}=\frac{V_{outDifMax}-V_{outDifMin}}{V_{inDifMax}-V_{inDifMin}}=\frac{(+4.04\:В)-(4.04\:В)}{(+24\:В)-(-24\:В)}=0.166\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

  • Определите типовые сопротивления резисторов для задания коэффициента ослабления (формула 7):

$$Gain_{FDA}=\frac{R_{f}}{R_{g}}\approx 0.166\frac{В}{В}\Rightarrow \frac{R_{g}}{R_{f}}=\frac{1.00\:кОм}{6.04\:кОм}=\frac{1}{6.04}\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

  • Определите значение Cƒ для частоты среза ƒc, RfINA = 1 кОм (формула 8):

$$C_{f}=\frac{1}{2\pi \times f_{c}\times R_{fINA}}=\frac{1}{6.28\times 1.25\:МГц\times 1\:кОм}=127\:пФ\approx 120\:пФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Передаточные характеристики по постоянному току

На графике, изображенном на рисунке 29, показана зависимость выходного линейного напряжения при изменении дифференциального входного напряжения от +24 В до -24 В.

Рис. 29. Зависимость выходного линейного напряжения от дифференциального входного напряжения

Рис. 29. Зависимость выходного линейного напряжения от дифференциального входного напряжения

Передаточные характеристики по переменному току

Моделируемая полоса пропускания составляет приблизительно 1,1 МГц, а усиление -15,62 дБ (рисунок 30), что соответствует линейному коэффициенту усиления около 0,166 В/В (коэффициент ослабления 6,04 В/В).

Рис. 30. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Рис. 30. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Моделирование шума

Упрощенный расчет шумовых характеристик для грубой оценки вычисляется по формуле 9:

$$f_{c}=\frac{1}{2\pi \times R_{f}\times C_{f}}=\frac{1}{6.28\times 1\:кОм\times 120\:пФ}=1.33\:МГц\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Уровень шума, вносимого буфером OPA197, приведенный к входу АЦП, вычисляется по формуле 10:

$$E_{nOPA197}=e_{nOPA197}\times \sqrt{K_{n}\times f_{c}}\times Gain_{FDA}\\E_{nOPA197}=\frac{5.5\:нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 1.33\:МГц}\times 0.166\frac{В}{В}=1.319\:\mu V_{RMS}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Усиление шумов определяется формулой 11:

$$NG=1+\frac{R_{f}}{R_{g}}=1+\frac{1.00\:кОм}{6.04\:кОм}=1.166\frac{В}{В}\\e_{noFDA}=\sqrt{(e_{nFDA}\times NG)^2+2\times (i_{nFDA}\times R_{f})^2+2\times (4kTR_{f}\times NG)}=7.40\frac{нВ}{\sqrt{Гц}}\\E_{nFDA}=e_{noFDA}\times \sqrt{K_{n}\times f_{c}}=\frac{7.40\:нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 1.33\:МГц}=9.28\:\mu V_{RMS}\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Общий уровень шума определяется по формуле 12:

$$TotalNoise=\sqrt{E_{nDFA}^2+E_{nOPA197}^2}=\sqrt{(9.28\:\mu V_{RMS})^2+(1.32\:\mu V_{RMS})^2}=9.37\:\mu V_{RMS}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения совпадают (рисунок 31). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией «Вычисление суммарного шума для систем АЦП» («Calculating the Total Noise for ADC Systems»).

Рис. 31. Зависимость общего уровня шума от частоты

Рис. 31. Зависимость общего уровня шума от частоты

Моделирование стабильности

Для измерения коэффициента передачи цепи обратной связи и оценки запаса по фазе путем проведения анализа передаточных характеристик по переменному току в TINA используется схема, приведенная на рисунке 32. Для увеличения запаса по фазе внутри контура обратной связи используются резисторы RISO 10 Ом. Схема обеспечивает запас по фазе в 45º (рисунок 33). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией «Стабильность ОУ. Часть 4» («TI Precision Labs – Op Amps: Stability 4). 

Рис. 32. Схема для оценки запаса по фазе

Рис. 32. Схема для оценки запаса по фазе

Рис. 33. Запас по фазе, обеспечиваемый измерительной схемой

Рис. 33. Запас по фазе, обеспечиваемый измерительной схемой

Моделирование установления входного сигнала АЦП

Моделирование (рисунок 34) показывает установление как отклик на дифференциальный входной сигнал 24 В постоянного тока при входах буфера OPA197, установленных на +12 В и -12 В. Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно. Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией «Уточнение значений Rfilt и Cfilt» («Refine the Rfilt and Cfilt Values»).

Рис. 34. Модель установления входного сигнала

Рис. 34. Модель установления входного сигнала

Компоненты, которые применялись в данном решении, представлены в таблице 24.

Таблица 24. Устройства, использованные в решении

Наименование Основные характеристики
ADS8912B Разрешение 18 бит, частота дискретизации 500 ksps, встроенный эталонный буфер, полностью дифференциальный вход, диапазон входного сигнала Vref 2,5…5 В
THS4551 Дифференциальный усилитель, полоса пропускания 150 МГц, выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания, VosDriftMax = 1,8 мкВ/°C, en = 3,3 нВ/rtГц
OPA197 36 В, полоса пропускания 10 МГц, входной/выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой, VosMax = ±250 мкВ, VosDriftMax = ±2,5 мкВ/°C, ток смещения = ±5 пА
REF5045 VREF = 4,5 В, дрейф 3 ppm/°C, начальная точность 0,05%, шум 4 мкВpp/В

Примечание. REF5045 может быть напрямую подключен к ADS8912B без какого-либо буфера, поскольку ADS8912B имеет встроенный буфер источника опорного напряжения. Кроме того, REF5045 обладает необходимым низким уровнем шума и дрейфа для применения в высокоточном оборудовании. THS4551 обеспечивает ослабление напряжение и смещение диапазона синфазного напряжения в диапазон напряжения SAR АЦП. Кроме того, данный дифференциальный усилитель обычно используется в высокоскоростных высокоточных дифференциальных решениях на основе SAR, поскольку он имеет достаточную полосу пропускания для установления обратных переходных процессов от входного сигнала АЦП. OPA197 – это операционный усилитель на 36 В, который обеспечивает очень высокий входной импеданс, буферизуя входы дифференциального усилителя. 

Исходные файлы для данной схемы

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
•••

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
OPA197IDBVT (TI)
OPA197QDGKRQ1 (TI)
OPA197IDGKR (TI)
OPA197ID (TI)
THS4551DGKEVM (TI)
THS4551IRGTT (TI)
THS4551RUNEVM (TI)
THS4551IDGKR (TI)
ADS8912BRGER (TI)
ADS8912BRGET (TI)
ADS8910BEVM-PDK (TI)
ADS8910BRGER (TI)
ADS8910BRGET (TI)
REF5045A-Q1 (TI)
REF5045AIDGKT (TI)
REF5045ID (TI)
REF5045IDR (TI)