№7 / 2014 / статья 3

Для ПОРТАТИВНОЙ ТЕХНИКИ: микромощные схемы обработки аналоговых сигналов

Андрей Колдунов (г. Гродно)

Бурное развитие лабораторной, медицинской и измерительной техники с автономным питанием порождает растущую потребность в малопотребляющих микросхемах сигнального тракта. Texas Instruments предлагает широкую линейку микромощных АЦП и операционных усилителей, многие из которых обладают уникальными потребительскими характеристиками и идеальным соотношением «цена-качество».

Одна из самых серьезных проблем, которые приходится решать разработчикам портативных устройств с автономным питанием, связана с потребляемым током. С одной стороны, устройство должно быть достаточно мощным и производительным (в идеале – не хуже своего аналога с сетевым питанием), с другой – оно должно быть очень экономичным и бережно расходовать заряд батарей. Поэтому при выборе комплектующих для устройства приходится руководствоваться не только их основными электрическими характеристиками, но и второстепенными, такими как диапазон питающих напряжений и потребляемый ток (мощность). В статье будут рассмотрены некоторые наиболее перспективные микромощные новинки производства компании Texas Instruments (TI) в области обработки аналоговых сигналов.

Кроме снижения энергопотребления, для проектировщиков современных устройств очень важна миниатюризация устройства, в погоне за которой часто приходится отказываться от более качественных внешних компонентов в пользу встроенной в контроллер периферии. И если для малотребовательных к точности задач (например, измерения внешнего освещения для автоматической коррекции яркости дисплея) такой вариант является хорошим решением, то для более точных показаний контрольно-измерительного оборудования, медицинских приборов, прецизионных датчиков уже приходится выбирать: использовать в устройстве более дорогой микроконтроллер с высококачественной аналоговой периферией, при этом попадая в зависимость от производителя данного контроллера, или любой дешевый контроллер с внешним аналоговым устройством обработки сигналов. А с учетом того, что качественно развязать на одном кристалле цифровую и аналоговую часть для предохранения высокочувствительных аналоговых входов от шумов и наводок процессора крайне сложно, последний вариант в итоге часто получается заметно дешевле и с лучшими характеристиками. Тем более, что большинство современных компонентов выпускается в миниатюрных корпусах, занимающих минимальную полезную площадь печатной платы [1].

Основа любой системы обработки аналоговых сигналов – это аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий входное напряжение в цифровой вид для дальнейшей его обработки микроконтроллером. В зависимости от разрядности и скорости оцифровки, для микромощных устройств можно порекомендовать использовать АЦП следующих типов:

  • Дельта-сигма-АЦП (∆∑ ADC) – недорогие АЦП с самым высоким разрешением, низким и средним быстродействием и малым энергопотреблением. Это самый лучший вариант для измерительных устройств с высоким разрешением, т.к. современные чипы, как правило, помимо собственно АЦП, имеют на кристалле входной буфер, предварительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA), прецизионный источник опорного напряжения, программируемые генераторы тока для внешних датчиков и встроенный термодатчик для автоматической калибровки системы и/или компенсации холодного спая – то есть все, что необходимо измерительному модулю.
  • АЦП последовательных приближений (SAR ADC) – экономичные АЦП среднего быстродействия, среднего и высокого разрешения. Они заметно дороже дельта-сигма-АЦП с примерно теми же параметрами. Применяются в недорогих устройствах с невысокими требованиями к разрешению АЦП (большинство встроенных в микроконтроллеры АЦП – именно этого типа), а также в высокоточных измерительных приборах, т.к. лишены некоторых недостатков дельта-сигма-АЦП, в частности, имеют меньшие интегральную нелинейность и ошибку усиления.

Для высокоточных измерительных приборов, где важна абсолютная точность измеряемой величины (цифровые вольтметры и другие измерители физических величин) следует применять преимущественно SAR АЦП, т.к. они обеспечивают гораздо большую линейность и точность (эти проблемы в некоторых дельта-сигма-АЦП частично решаются с помощью самокалибровки). А для приборов с относительными измерениями, где на первый план выходят разрешение, чувствительность, низкий шум и большой динамический диапазон (электрокардиографы и другая медицинская техника, датчики изменения величины, аудиоустройства) – преимущество за дельта-сигма-АЦП.

Основные характеристики наиболее перспективных SAR АЦП приведены в таблице 1. Особо следует выделить микросхемы серий ADS888x и ADS886x с рекордно малым энергопотреблением – всего 1.8 мА при частоте дискретизации 1 MSPS (мегасэмплов в секунду). Причем все микросхемы этих серий полностью совместимы друг с другом по выводам, что позволяет легко масштабировать готовое изделие, просто заменив микросхему. Одна из особенностей этих АЦП – опорное (и, следовательно, входное) напряжение у них может быть выше напряжения питания аналоговой и цифровой частей микросхемы, что позволяет дополнительно уменьшить потребляемую мощность, снизив до минимума напряжения питания.

Таблица 1. Основные характеристики перспективных SAR АЦП

Наименование Разрешение, бит Частота
дискретизации, кГц
Потребляемая мощность, мВт¹ Тип
входов
Источник опорного напряжения, В INL, LSB, тип. Ошибка
усиления, %
SINAD, дБ² Корпус
ADS8881/3/5/7 18 1000; 680; 400; 100 5.5; 4.2; 2.6; 0.7 1 дифф. Внешний, 2.5…5.0³ ±1.5 ±0.005 93.3 SON-10 или VSSOP-10
ADS8860/2/4/6 16 1000; 680; 400; 100 5.5; 4.2; 2.6; 0.7 1 баланс. Внешний, 2.5…5.0³ ±1 ±0.005 88.2 SON-10 или VSSOP-10
ADS8861/3/5/7 16 1000; 680; 400; 100 5.5; 4.2; 2.6; 0.7 1 дифф. Внешний, 2.5…5.0³ ±0.5 ±0.005 91.6 SON-10 или VSSOP-10
ADS8318/19 16 500 18 1 баланс./1 неинв. Внешний, 2.25…5.5 ±0.65; ±1 ±0.003; ±0.0045 87.4; 89.5 SON-10 или VSSOP-10
ADS8327/28 16 500 10.6 1/2 неинв. Внешний, 0.3…4.2 ±1 -0.07 88 QFN-16 или VSSOP-16
ADS8329/30 16 1000 15.5 1/2 неинв. Внешний, 0.3…4.2 ±1 -0.04 90 QFN-16 или TSSOP-16
ADC161S626 16 250 5.8 1 дифф. Внешний, 0.5…5.5 ±0.8 -0.002 93 VSSOP-10
ADS7945/46 14 2000 11.6 2 баланс./2 неинв. Внешний, 2.5…5.25 ±0.8 ±1.5 LSB 83.5; 78.8 QFN-16
ADS7947/8/9 12; 10; 8 2000 7.5 2 баланс. Внешний, 2.5…5.25 ±0.3; 0.15; 0.06 ±0.3; 0.15; 0.06 LSB 72.7; 61; 49 QFN-16
ADS7883/4/5 12; 10; 8 3000 13.5 1 неинв. Внешний, 2.7…5.5 ±0.6; 0.3; 0.3 ±0.3; 0.2; 0.2 LSB 72; 61.7; 49.8 SOT23-6

Примечания:
1 – На максимально допустимой частоте дискретизации.

2 – SINAD (Signal-to-noise + distortion) – отношение «сигнал-шум» плюс искажения. Частота 100 кГц (ADS7945/46 – 20 кГц), опорное напряжение VREF = максимально допустимое, амплитуда входного сигнала на 0.5 дБ меньше максимально допустимой.

3 – Входное и опорное напряжения могут быть выше напряжения питания микросхемы.

 

Микросхемы ADS7229, ADS7230, ADS7279, ADS7280, ADS8327, ADS8328, ADS8329, ADS8330 – это pin-to-pin-совместимые АЦП (но не совместимые с ADS886x, ADS888x и ADS8318/9) с разрешением 12, 14, 16 бит и частотой дискретизации 500 или 1000 kSPS. Они предназначены для использования в бюджетных устройствах. Из особенностей этих микросхем стоит отметить их способность работать при низком значении опорного напряжения (от 0.3 В), что делает их идеальными для работы со многими видами датчиков, чей рабочий диапазон не превышает сотен милливольт. Сравнительно небольшая ошибка смещения ±0,07 мВ (при напряжении питания аналоговой части 3 В) позволяет использовать такие датчики без предварительного усиления с помощью инструментальных усилителей.

Один из самых недорогих шестнадцатибитных преобразователей с полностью дифференциальными входами – это ADC161S626. Несмотря на сравнительно невысокую частоту дискретизации (250 kSPS), микросхема имеет довольно хорошие характеристики при сравнительно низкой стоимости и отлично подходит для использования в микромощных устройствах с невысокой скоростью обработки данных.

Как «золотую середину» следует отметить микросхемы ADS8318 и ADS8319 – они недороги и при этом имеют характеристики, достаточно хорошие для шестнадцатибитного АЦП. Эти микросхемы предназначены для устройств с питанием аналоговой части 5 В, отсюда и чуть большее энергопотребление. Для остальных микросхем в таблице 1 указано энергопотребление при напряжении питания 2.7…3.0 В. Для сравнения, у ADS8327 при увеличении напряжения до 5 В потребляемая мощность увеличивается с 10.8 до 25…30 мВт.

Все упомянутые выше микросхемы имеют усовершенствованный, полностью автоматический режим энергосбережения, благодаря которому при уменьшении частоты дискретизации в несколько раз практически во столько же раз уменьшается и потребляемый ток. Это выгодно отличает их от других микросхем, у которых режим энергосбережения включается специальной командой или комбинацией уровней на цифровых входах. В конце каждого преобразования микросхемы автоматически переходят в режим power down с потреблением порядка 50 нА, одновременно при этом подключая ко входам конденсаторы встроенного устройства выборки-хранения (УВХ). Они остаются в этом режиме до следующего сигнала, запускающего преобразование. Поэтому на низких частотах дискретизации и при низкочастотном входном сигнале из-за продолжительной фазы захвата входного напряжения эти АЦП могут работать даже со сравнительно высокоомным источником сигнала. Их рабочие температуры соответствуют индустриальному диапазону -40…85°С, выходной формат данных – беззнаковый для АЦП с несимметричными входами (при изменении входного напряжения от 0 до опорного +REF выходной код изменяется от 0х0000 до 0хFFFF), или знаковый для АЦП с симметричными или дифференциальными входами (при изменении разности потенциалов на входах -REF…+REF, АЦП выдает 0х8000…0xFFFF, 0x0000…0x7FFF).

Рассмотрим подробней микросхему ADS8319 (все сказанное ниже относится и к ADS8318, за исключением входов) [2]. Этот АЦП изготавливается как в стандартном исполнении (ADS8319I с интегральной нелинейностью не хуже ±2.5 единицы младшего разряда), так и в улучшенном ADS8319IB с нелинейностью ±1.5 единицы, и выпускается в малогабаритных десятивыводных корпусах типа VSSOP (маркировка ADS8319xxDGSx) или SON (ADS8319xxDRCx). Цоколевка и внутренняя архитектура показаны на рисунке 1. Для включения микросхемы требуется два источника питания, для цифровой +VBD и аналоговой +VA частей, подключение внешнего опорного напряжения REFIN, одна пара псевдо-дифференциальных аналоговых входов (балансные у ADS8318) и четыре вывода для управления и передачи данных. Напряжение питания цифровой части может быть в пределах 2.375…5.5 В, аналоговой – 4.5…5.5 В, опорное напряжение должно быть в пределах от 2.25 В до напряжения питания аналоговой части. Входное напряжение на неинвертирующем входе АЦП должно быть в диапазоне -0.1 В…Vref+0,1 В, на инвертирующем входе диапазон напряжений -0.1…+0.1 В (у ADS8318 – -0.1…Vref+0,1 В). Кроме обеспечения необходимого предела входного напряжения особое внимание следует уделить обеспечению согласование обоих входов с импедансом источника сигнала, так как в противном случае это может привести к дополнительным ошибкам.

Для начала преобразования АЦП сохраняет дифференциальное входное напряжение на конденсаторах УВХ, после чего отключает входы УВХ от выводов микросхемы и производит преобразование сохраненного напряжения в цифровой вид. Так как емкость конденсаторов УВХ довольно значительная (примерно 59 пФ), то для корректной работы АЦП на максимальной частоте дискретизации перед входом микросхемы следует поставить малошумящий прецизионный буферный усилитель с низким выходным сопротивлением и полосой пропускания не менее 3 МГц, способный зарядить входную емкость за время захвата. Производитель рекомендует использовать микросхемы THS4031 или OPA211. На рисунке 2 показан пример подключения псевдо-дифференциального входа ADS8319.

Рис. 2. Пример подключения псевдо-дифференциального входа ADS8319

Рис. 2. Пример подключения псевдо-дифференциального входа ADS8319

Для получения «честных» шестнадцати бит у АЦП должен быть достаточно точный малошумящий источник опорного напряжения с небольшим временным и температурным дрейфом. Рекомендуется использовать микросхемы серии REF50xx, в частности – REF5040 или REF5050. Между входами REFIN и GND на минимальном удалении от выводов следует разместить фильтрующий керамический конденсатор емкостью минимум 10 мкф (рекомендуется 22 мкф). Такие же конденсаторы нужно поставить и на входы питания микросхемы.

Рис. 1. Цоколевка и внутренняя архитектура микросхемы ADS8319

Рис. 1. Цоколевка и внутренняя архитектура микросхемы ADS8319

Другой пример микромощных АЦП – ADS886x и ADS888x Эти микросхемы физически и программно полностью совместимы с ADS8318/9 (рисунок 1), однако напряжение питания цифровой части должно быть в пределах 1.65…3.6 В (типовое – 1.8 В), аналоговой – 2.7…3.6 В (типовое – 3.0 В), а опорное напряжение может превышать напряжение питания аналоговой части и достигать 5.1 В. Все микросхемы оптимизированы под сверхнизкое энергопотребление с автоматическим переходом в режим power down после каждого преобразования и в большинстве случаев не требуют отдельного стабилизатора напряжения питания, что делает их наилучшим выбором для устройств с микропотреблением.

Рассмотрим ADS8861 – шестнадцатибитный АЦП с частотой дискретизации до 1 MSPS и полностью дифференциальными входами. На входах микросхемы стоит уникальная схема автоматической компенсации синфазного напряжения (рисунок 3), благодаря которой постоянное смещение на входах может быть практически любым, от нуля до опорного напряжения, без какого-либо ухудшения характеристик АЦП. У большинства других АЦП с симметричными (но не полностью дифференциальными) входами при изменении синфазного напряжения могут ухудшаться основные характеристики микросхемы. Отношение сигнал/шум (SNR) у ADS8861 составляет 92…96.5 дБ на частотах 100…1000 Гц, уровень гармонических искажений (THD), соответственно, -102…-115 дБ, полоса пропускания аналогового тракта по уровню -3 дБ – порядка 30 МГц.

Рис. 3. Уникальная схема автоматического определения синфазного напряжения на входах микросхемы ADS8861

Рис. 3. Уникальная схема автоматического определения синфазного напряжения на входах микросхемы ADS8861

Для связи с микроконтроллером в микросхемах ADS8318/9, ADS886x и ADS888x используется трехпроводный SPI-интерфейс, работающий в Mode 0 на частотах до 16…66 МГц (в зависимости от максимальной частоты дискретизации). Интерфейс позволяет соединять последовательно практически неограниченное количество микросхем и способен генерировать прерывание по окончанию преобразования. Однако из-за ограниченного количества выводов у чипа он получился довольно сложным в реализации (рисунок 4). Преобразование запускается положительным импульсом на выводе CONVST длительностью не менее 20 нс. Причем, если к моменту окончания преобразования (500…710 нс для ADS8861) уровень на этом входе будет нулевым, то по окончании преобразования АЦП выдаст на выход SDO логический «0» для генерации прерывания в микроконтроллере (как показано на рисунке 4), и для считывания данных нужно будет подать 17 импульсов на вход SCLK. А если на входе CONVST будет логическая «1» – сигнал готовности сгенерирован не будет, и можно будет сразу считывать данные, подав 16 импульсов на вход SCLK. Эту особенность нужно учитывать, чтобы случайно из-за программных задержек не считать ошибочные данные. Например, если из-за возникшего программного прерывания микроконтроллер не успеет в течении времени преобразования обнулить уровень на входе CONVST и затем отсчитает 17 бит, отбросив первый бит, то он получит ошибочные данные.

Рис. 4. Реализация SPI-интерфейса в микросхемах ADS8318/9, ADS886x и ADS888x

Рис. 4. Реализация SPI-интерфейса в микросхемах ADS8318/9, ADS886x и ADS888x

Стоит также отметить ADS7945, ADS7946 (14-битные), ADS7947, ADS7948 и ADS7949 (соответственно, 12, 10 и 8 бит) с частотой дискретизации до 2 MSPS. В отличие от рассмотренных выше АЦП, эти микросхемы имеют полуавтоматический режим энергосбережения с одним лишним преобразованием перед входом и выходом в/из режима энергосбережения, поэтому потребляемая мощность, особенно при периодических единичных выборках, у них заметно больше. Однако это компенсируется их сравнительно невысокой стоимостью. А ADS7883, ADS7884, ADS7885 – одни из самых миниатюрных (корпус SOT23-6) скоростных АЦП в своем классе.

Рис. 5. Цоколевка и внутренняя архитектура микросхемы ADS1220

Рис. 5. Цоколевка и внутренняя архитектура микросхемы ADS1220

По соотношению «цена-качество» вне конкуренции шестнадцатибитный ADS1120 и двадцатичетырехбитный ADS1220 (рисунок 5) [3]. Микросхемы совместимы по цоколевке и внутреннему строению и в первую очередь предназначены для работы с термопарами и мостовыми датчиками. Для этого у них есть даже специальный коммутатор (подключен между AVSS и входом AIN3) с сопротивлением канала порядка 3.5 Ом, позволяющий в спящем режиме автоматически отключать «землю» у внешнего датчика для снижения энергопотребления. Еще одна особенность – при отключенном PGA микросхемы могут обеспечивать коэффициент усиления 1, 2 или 4 без внесения дополнительных искажений, без увеличения энергопотребления и с сохранением входов rail-to-rail. По остальным опциям микросхемы не отличаются от других «систем-на-кристалле» – коэффициент усиления PGA может составлять 1…128, имеется встроенный достаточно точный источник опорного напряжения (температурный дрейф порядка 5 ппм/°С), пара сбалансированных генераторов тока 10…1500 мкА с разбалансом порядка 0.3% для подключения термопар по трехпроводной схеме, прецизионный датчик температуры с погрешностью ±0,25…0,5°С во всем температурном диапазоне и цифровой фильтр, подавляющий внешние наводки на частоте 50 и/или 60 Гц. От более совершенных АЦП, например, ADS1217 или ADS1218, они отличаются отсутствием самокалибровки (однако микросхемы обеспечивают возможность производить калибровку на стороне микроконтроллера) и отсутствием ЦАП смещения, что сильно осложняет работу при больших коэффициентах усиления PGA.Один из существенных недостатков SAR АЦП – сравнительно большая ошибка напряжения смещения и его температурный дрейф. Связано это с особенностями их строения, и для большинства АЦП эта ошибка составляет порядка 0.1…1 мВ. Лишены этого недостатка дельта-сигма-АЦП, которые, при чуть худшей линейности, после самокалибровки способны корректно распознавать изменения уровня сигнала на десятые…сотые доли нановольт. Дельта-сигма-АЦП стоят заметно дешевле остальных типов АЦП с высоким разрешением и практически всегда имеют полностью дифференциальные входы. Как показано в таблице 2, они бывают как в минимальной конфигурации – только входной коммутатор и сам АЦП (ADS1222…26), так и в более серьезных конфигурациях, вплоть до «систем-на-кристалле» со всеми необходимыми элементами для подключения внешних датчиков (ADS1246/47/48, ADS1120, ADS1220, ADS1217) и даже со встроенной энергонезависимой FLASH-памятью для сохранения нескольких десятков наборов конфигурации (ADS1218).

Таблица 2. Основные характеристики дельта-сигма АЦП

Наименование Разреш., бит Частота дискрети-зации, кГц Потреб. мощность, мВт Кол-во входов Встроенный ИОН, В Программ. усилитель PGA INL, % FSR, не более Ошибка усиления, % Токовый ЦАП ЦАП смещения Корпус
ADS1251/52 24 20; 41 7.5; 40 1 Нет Нет 0.0015 ±0.1; ±0.4 Нет SOIC-8
ADS1246/47/48 24 2 2.56 1; 3; 7 Нет; 2.048; 2.048 1…128 0.0003 ±0.005¹ Нет; 2; 2 TSSOP-16; 20; 28
ADS1120/1220 16; 24 2 0.4 4 2.048 1…128 0.0015 ±0.015 2 TSSOP-16 или QFN-16
ADS1217/18 24 0.78 0.8 8 1.25 и 2.5 1…128 0.0012; 0.0015 ±0.005¹ 2 + TQFP-48
ADS1222/24 24 0.24 0.5 2; 4 Нет Нет 0.0015 ±0.004 Нет TSSOP-14; 20
ADS1225/26 24 0.1 0.5 1; 2 Нет Нет 0.0015 ±0.004 Нет QFN-16
ADS1240/41 24 0.03 0.6 4; 8 Нет 1…128 0.0015 ±0.005¹ Нет + SSOP-24; 28
ADS1242/43 24 0.03 0.6 3; 7 Нет 1…128 0.0015 ±0.005¹ Нет + TSSOP-16; 20
ADS1244/45 24 0.03; 0.015 0.3 1 Нет Нет 0.0008 ±0.005¹ Нет MSOP-10

1 – Калибровка минимизирует ошибки усиления, смещения и их температурный дрейф.

 

ADS1120 и ADS1220 поддерживают не только режим непрерывных преобразований, но и позволяют делать единичные преобразования с автоматическим переходом в режим пониженного потребления. Также они способны без каких-либо внешних компонентов измерять собственное напряжение питания и напряжение внешнего источника опорного напряжения относительно встроенного источника. Тем самым они выполняют роль монитора напряжения питания или позволяют калибровать встроенный источник опорного напряжения по внешнему эталону. Управляются микросхемы через SPI-интерфейс, оцифрованные данные представляются в знаковом виде.

Микросхемы ADS1217, ADS1218, ADS1120, ADS1220, ADS1246…ADS1248 способны работать с биполярным напряжением питания аналоговой части (например AVDD = +2.5 В AVSS =-2.5 В), при однополярном питании цифровой части. Это необходимо для корректной работы АЦП со входными сигналами около 0 В, и обеспечения миниальных искажений PGA в этом случае.

Для обработки биполярного сигнала или сигнала вблизи 0 В в системах с однополярным питанием может понадобиться дополнительный источник. Если нет необходимости получения больших выходных токов, то достаточно эффективным будет решение на переключающихся кондесаторах, например LM7705 или TL7660. LM7705 [4] – микромощный малошумящий инвертор напряжения на переключаемых конденсаторах, который при входном напряжении +3…+5 В генерирует стабилизированное напряжение -0.23 В (рисунок 6). Такого небольшого напряжения вполне достаточно для обработки сигнала вблизи 0 В. Потребляемый микросхемой ток – порядка 78 мкА. Выключить микросхему (потребление уменьшится до 20 нА) можно, подав на вход SD уровень логической «1». КПД преобразования при токе нагрузки до 20 мА – около 98%, пульсации выходного напряжения – порядка 4 мВ пик-пик, что несущественно для современных ОУ с хорошим подавлением пульсаций питающего напряжения. Рекомендуемая емкость конденсатора CFLY – примерно 5 мкФ, COUT и CRES – 22 мкФ. Конденсатор CFLY желательно использовать с низким ESR и расположить максимально близко к выводам микросхемы. Шумы на выходе можно уменьшить, поставив небольшой RF-конденсатор емкостью порядка 0.1 мкФ.

Рис. 6. Пример подключения LM7705

Рис. 6. Пример подключения LM7705

При выборе входного ОУ следует учитывать одну из особенностей rail-to-rail-усилителей: их входной каскад фактически состоит из двух включенных параллельно каскадов на разнотипных транзисторах (соответственно, каждый из них обрабатывает положительную и отрицательную полуволну). При некотором значении напряжения в момент плавного переключения каскадов (обычно небольшой диапазон шириной 100…500 мВ чуть выше половины напряжения питания) на выходе возможны небольшие искажения и ухудшение коэффициентов подавления синфазного (CMRR) и пульсаций питающего (PSRR) напряжений, увеличение напряжения смещения. В современных ОУ они сведены к минимуму, но для высокоточных во всем диапазоне напряжений схем более распространено использование классических (не rail-to-rail) усилителей и инверторов напряжения типа TPS60400…TPS60403 или TL7660, преобразующих входное напряжение +1.6…+5 В в отрицательное с КПД порядка 98%. Такие решения востребованы, когда необходимо более отрицательное напряжение, чем -0.23 В получаемые при помощи LM7705 (на TL7660 можно получить напряжение -10 В). Однако взамен может потребоваться дополнительный выходной стабилизатор, так как пульсации выходного напряжения в зависимости от ESR и емкости выходного конденсатора достигают 15…35 мВ и больше.

Характеристики некоторых малопотребляющих ОУ приведены в таблице 3. При выборе ОУ следует обращать внимание на его полосу пропускания (она должна минимум раз в 10 превышать частоту дискретизации) и скорость нарастания входного напряжения (должна быть гораздо выше скорости нарастания входного напряжения, умноженной на коэффициент усиления). Для прецизионных устройств нужно учитывать напряжение смещения, для высокочувствительных устройств – шумы ОУ и его коэффициенты CMRR и PSRR.

Ток, потребляемый ОУ, практически пропорционально зависит от скорости нарастания выходного напряжения, поэтому, несмотря на существование ОУ с потребляемым током менее 10 мкА (LPV521/511, OPA369/349/379 и др.), в качестве входного усилителя АЦП лучше использовать менее экономичные усилители с лучшими характеристиками.

Для устройств с автономным питанием хорошим соотношением «цена-качество» обладает OPA313 – недорогой малошумящий прецизионный ОУ (изменение напряжения смещения во всем диапазоне рабочих температур не превышает 200 мкВ) с крайне малым входным током, что позволяет использовать этот ОУ в высокоимпедансных схемах. Выходной каскад ОУ выполнен на полевых транзисторах в классе АВ и способен работать на сравнительно низкоомную (менее 10 кОм) и емкостную (до 1000 пф) нагрузку, что делает этот ОУ идеальным для использования совместно с SAR АЦП. При сопротивлении нагрузки 10 кОм минимальное падение напряжения на выходных транзисторах составляет всего по 5 мВ на каждом – отличный результат для rail-to-rail-усилителя.

OPA333, OPA334 и OPA335 – сравнительно недорогие высокопрецизионные ОУ. Благодаря очень высоким коэффициентам подавления помех OPA333 идеально подходит для использования в микромощной высокочувствительной медицинской технике, а OPA334/2334, благодаря наличию входа отключения, переводящего выход в высокоимпедансное состояние – в многоканальных устройствах сбора данных.

Следует обратить внимание на OPA170, OPA180, OPA188 – одни из немногих маломощных высоковольтных (напряжение питания – до 36 В) прецизионных усилителей с rail-to-rail-выходом и практически rail-to-rail-входом (только по отрицательному напряжению, но без инверсии фазы по положительному). Микросхемы способны неограниченное время работать при КЗ выхода на землю (одного из ОУ на кристалле), и имеют полноценную ESD-защиту входа с максимально допустимым током до 10 мА. При работе на емкостную нагрузку (например, вход SAR АЦП), для уменьшения амплитуды выбросов на выходе, между выходом ОУ и входом АЦП следует установить изолирующий резистор сопротивлением 25…50 Ом и более.

OPA180 и OPA188 – самокалибрующиеся прецизионные ОУ, изготовленные по технологии Zero Drift с предельно малым дрейфом напряжения смещения (для OPA180 – порядка 0.1 мкВ/°С и 0.1 мкВ/В напряжения питания, для OPA188 – еще меньше). Однако такие ОУ периодически (на частоте десятки…сотни кГц) переключают свои входы на элементы схемы коррекции смещения, и из-за инъекций заряда через паразитные структуры коммутатора возникают незначительные пульсации входного тока, приводящие к увеличению шума на выходе. Бороться с этим можно, используя простейшие ФНЧ на RC-цепочках. Также при питании от источника с высоким выходным сопротивлением рекомендуется шунтировать выводы питания в непосредственной близости от микросхемы керамическими конденсаторами емкостью порядка 0.1 мкФ. После подачи питания, ОУ достигает заявленной точности напряжения смещения примерно через 100 мкс.

Один из наиболее актуальных параметров ОУ – это коэффициент подавления электромагнитного излучения (EMIRR) [5]. Мобильные телефоны, компьютеры, пульты и брелоки ISM-диапазона – все эти устройства генерируют электромагнитное излучение в диапазоне частот 0.4…5 ГГц. Через индуктивные и емкостные связи оно наводится на проводники схемы, поступает на вход ОУ, выпрямляется на p-n-переходах транзисторов и в итоге приводит к изменению напряжения смещения ОУ. В результате в больницах, самолетах и других помещениях приходится запрещать пользоваться телефонами и компьютерами, так как они даже на больших расстояниях пагубно влияют на высокочувствительное оборудование.

Все упомянутые в таблице 3 ОУ имеют встроенные EMI-фильтры. Указанные в таблице значения справедливы для частоты 400 МГц, на более высоких частотах этот коэффициент заметно увеличивается. При коэффициенте EMIRR 60 дБ и амплитуде наведенного на вход ОУ EMI 100 мВ пик-пик, напряжение смещения ОУ изменится всего на 100 мкВ. А использование современных ОУ типа OPA333 с EMIRR выше 110 дБ, позволит практически везде снять запреты на включенные мобильные телефоны.

Рис. 7. Схема включения ADS8881

Рис. 7. Схема включения ADS8881

Типовая схема включения восемнадцатибитного SAR АЦП ADS8881 показана на рисунке 7. Она обеспечивает отношение сигнал-шум более 98 дБ, коэффициент гармоник – менее -110 дБ, более шестнадцати эффективных бит с интегральной нелинейностью менее ±1,5 единиц младшего разряда, и в активном режиме потребляет порядка 40 мВт [6]. В качестве входного буфера предлагается использовать микромощный прецизионный дифференциальный ОУ THS4521. Так как выходное сопротивление буфера не равно нулю, то, для уменьшения просадок напряжения при захвате преобразователем входного напряжения (подключении ко входам конденсаторов выборки-хранения), параллельно входам рекомендуется добавить конденсатор CFILT емкостью как минимум в 20 раз больше емкости конденсаторов выборки-хранения (у ADS8881 – порядка 59 пф). Для увеличения стабильности ОУ из-за емкостной нагрузки, к его выходам нужно подключить изолирующие резисторы RFILT сопротивлением не более 1/20 сопротивления ключей АЦП (220 Ом), но при этом нужно подобрать такой ОУ, чтобы сопротивление RFILT было не менее 1/9 выходного импеданса ОУ.

В качестве источника опорного напряжения выбран микромощный стабилизатор REF5045, напряжение которого усилено и отфильтровано парой ОУ OPA333 и THS4281. Усилитель опорного напряжения должен одновременно иметь низкое напряжение смещения, малый дрейф, широкую полосу пропускания, низкое выходное сопротивление и, конкретно для нашей задачи – низкий потребляемый ток. Найти такой ОУ довольно сложно, поэтому лучшее решение – использовать пару ОУ из широкополосного THS4281 с низким выходным сопротивлением, но сравнительно большим напряжением смещения (2.5 мВ), выход которого корректировать прецизионным маломощным OPA333. Такое решение имеет параметры, необходимые АЦП, но при этом как минимум в 5 раз более экономично, чем в случае использования одиночного ОУ.

При трассировке платы АЦП следует учитывать следующие правила:

  • длина дорожек в цепях источника опорного напряжения должна быть как можно меньше, и непосредственно возле этого входа следует разместить керамический фильтрующий конденсатор емкостью не менее 10 мкф;
  • дорожки от входного усилителя должны быть как можно короче и выполнены симметричной линией без острых углов. Фильтрующую RC-цепочку необходимо разместить как можно ближе ко входам АЦП.
  • в цепи аналогового питания, как можно ближе к ножке микросхемы, следует поставить керамический конденсатор емкостью не менее 10 мкф;
  • печатная плата должна быть как минимум двухслойная, со сплошной землей по одному из слоев.

Образец печатной платы этого дизайна, файлы для симуляции и все сопутствующие документы можно загрузить по ссылке [7].

Таблица 3. Основные характеристики малопотребляющих операционных усилителей

Наименование* Полоса пропускания, МГц Напряжение смещения, мВ Входной ток, нА Потреб. ток, мА Шум при 1 кГц, нВ/√Гц Напряжение питания, В Rail-to-rail CMRR, дБ EMIRR +In, дБ (400 МГц)
OPA170/2170/4170 1.2 0.25 0.008 0.145 19 2.7…36 Выход 104 71
OPA180/2180/4180 2 0.015 0.25 0.525 10 4…36 Выход 104 63
OPA188/2188/4188 2 0.006 0.16 0.45 8.8 4…36 Выход 126 63
OPA313/2313/4313 1 0.5 0.0002 0.05 25 1.8…5.5 Вход, выход 85 52
OPA314/2314/4314 3 0.5 0.0002 0.15 14 1.8…5.5 Вход, выход 96 40
OPA316 10 0.5 0.005 0.4 11 1.8…5.5 Вход, выход 90 37
OPA317/2317/4317 0.3 0.02 0.275 0.035 55 1.8…5.5 Вход, выход 108
OPA322/2322/4322 20 0.5 0.0002 1.5 8.5 1.8…5.5 Вход, выход 100 30
OPA333/2333 0.35 0.002 0.07 0.017 1.8…5.5 Вход, выход 130 112
OPA334/2334/335/2335 2 0.001 0.07 0.285 2.7…5.5 Вход, выход 130 61

* – OPA2xxx – сдвоенная версия, OPA4xxx – счетверенная.

 

Литература

  1. Analog Signal Chain Guide;
  2. ADS8319. Precision 16-Bit SAR w/ SPI interface in MSOP-10;
  3. ADS1220. Low-Power, Low-Noise, 24-Bit Analog-to-Digital Converter for Small Signal Sensors;
  4. LM7705. Low Noise Negative Bias Generator;
  5. Chris Hall, Thomas Kuehl. EMI Rejection Ratio of Operational Amplifiers;
  6. TIPD115. Data Acquisition Optimized for Lowest Distortion, Lowest Noise, 18 bit, 1Msps Reference Design;
  7. TIPD115 Design File.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_new_ADC_NE_08_14_opt

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, ...читать далее