Електронні компоненти і системи 
Особливості застосування активних диференціальних драйверів на вході прецизійних АЦП
Більшість ІМС прецизійних АЦП мають диференціальний вхід. Це дозволяє забезпечити високий КОСС, зменшити рівень спотворень другого порядку та спростити калібрування АЦП на постійному струмі. У випадку використання несиметричних джерел сигналу на вході АЦП застосовують диференціальні драйвери.
Як такий драйвер може бути використаний трансформатор. Однак застосування трансформатора у випадку високочастотних вхідних сигналів може призвести до додаткових нелінійних спотворень у тракті вимірювального каналу.
Особливості застосування активних диференціальних драйверів на вході 16-…18-розрядних АЦП з частотою вибірки 10 МГц розглянуті нижче. Вхідний частотний діапазон цих перетворювачів обмежений одиницями мегагерц.
Структура УВХ на вході диференціального АЦП
На вході АЦП з диференціальним входом, як правило, використовується УВХ, типова функціональна схема якого наведена на рис. 1. Підсилювач-драйвер на вході АЦП повинен мати час встановлення з необхідною точністю, менший половини періоду вибірки вхідного сигналу. Величина вхідного динамічного опору УВХ змінюється при переході з режиму вибірки в режим зберігання. Крім того, вона залежить від частоти вхідного сигналу. У режимі стеження (див. рис. 1) ключі S1 і S2 замкнені і вхідний сигнал заряджає (розряджає) запам’ятовуючі ємності СН. При переході УВХ у режим зберігання ключі S1 і S2 (а також S3, S4, S7) розмикаються, а ключі S5 і S6 замикаються і напруги з запам’ятовуючих ємностей СН надходять на вихід УВХ. Наявність в УВХ диференціального входу забезпечує ослаблення комутаційних викидів, викликаних комутацією ключових елементів.
На рис. 2, а показані осцилограми сигналів на входах диференціального АЦП і синхросигналів (сигналів вибірки), що керують режимами його роботи. Зовнішній буферний каскад між несиметричним виходом джерела сигналу і диференціальним входом АЦП при цьому відсутній. На рис. 2, б наведена осцилограма вхідних сигналів АЦП, на вході якого використано узгоджуючий диференціальний драйвер. Викиди на осцилограмі, наведеній на рис. 2, б, практично відсутні, оскільки вони являють собою синфазні сигнали. Зазначимо, що високий КОСС забезпечується хорошим узгодженням імпедансів вхідних кіл АЦП.
а) б)
Приклад застосування драйвера ADA4941-1
На рис. 3 показаний приклад застосування диференціального драйвера ADA4941-1 на вході 18-розрядного АЦП сімейства PulSAR, вхід якого побудований із застосуванням комутованих конденсаторів. Вхід драйвера VIN підключений до несиметричного біполярного джерела сигналу, вихід драйвера — симетричний. У зв’язку з тим, що роздільна здатність АЦП становить 18 біт, рівень шумів драйвера і вносені ним спотворення повинні бути мінімальними. Крім того, драйвер повинен мати високу точність на постійному струмі. Струм споживання підсилювача-драйвера ADA4941 2.2 мА при напрузі живлення 3.3 В, рівень шуму VN — 10.2 нВ/√Гц на частоті 1 кГц і рівень спотворень –110 дБн на частоті 100 кГц. Смуга пропускання драйвера становить 31 МГц для сигналів малої потужності. Драйвер має rail-to-rail вихід, великий вхідний імпеданс і регульований користувачем коефіцієнт підсилення.
Підсилювач ADA4941-1 складається з двох ОУ. Нижній ОУ (див. рис. 3) є неінвертуючим буферним каскадом, причому коло його зворотного зв’язку формується зовнішніми резисторами. Вихід цього ОУ підключений до входу інвертуючого ОУ, коло зворотного зв’язку якого сформоване вбудованими резисторами. Наявність деякого фазового зсуву і затримки проходження вхідного сигналу через два включені послідовно ОУ практично не впливає на похибку вимірювального каналу в цілому в смузі частот до 2 МГц. Нижній ОУ драйвера забезпечує ослаблення вхідного сигналу, завдяки чому різницевий вихідний сигнал драйвера змінюється в межах 100 мВ відносно потенціалу землі. Це дозволяє використовувати однополярну напругу живлення 5 В.
Діапазон вхідних напруг АЦП AD7690 (AD7691) становить 2UREF від піка до піка. Опорна напруга джерела ADR444 (див. рис. 3) дорівнює 4.096 В. Використовуваний на вході АЦП AD7690 ФНЧ містить конденсатор ємністю 3.9 нФ і резистор опором 41.2 Ом, що забезпечують частоту зрізу 1 МГц, що узгоджується зі смугою пропускання АЦП AD7690, рівною 9 МГц. Спектральна щільність шуму на виході підсилювача ADA4941-1 становить 10.2 нВ/√Гц, середньоквадратичне значення шуму на вході перетворювача при використанні ФНЧ не перевищує 13 мкВ. Відношення сигнал/шум при схемі включення підсилювача відповідно до рис. 3 становить 107 дБ, що на 7 дБ більше цього ж відношення для перетворювача AD7690.
Приклад застосування драйвера ADA4922-1
На рис. 4 представлена схема драйвера, виконаного на основі підсилювача ADA4922-1 і призначеного для АЦП сімейства PulSAR AD7634. У зв’язку з тим, що у багатьох випадках вхідні сигнали вимірювального каналу можуть перевищувати напругу ±10 В, застосування перетворювача AD7634, виконаного за технологією iCMOS, дозволяє забезпечити кодування сигналів високого рівня. Підсилювач ADA4922-1 застосовується як драйвер АЦП, роздільна здатність якого становить 16 або 18 біт. Драйвер перетворює несиметричний сигнал у симетричний (або диференціальний), причому на виході такого драйвера розмах сигналу може досягати 40 В. Частота зрізу драйвера в режимі малого сигналу становить 38 МГц. Використання ФНЧ на виході драйвера забезпечує рівень шуму (середньоквадратичне значення) не більше 15 мкВ, відношення сигнал/шум вимірювального каналу завдяки використанню драйвера ADA4922-1 становить 119 дБ. Виходячи з того, що рівень шуму на вході АЦП (середньоквадратичне значення) становить 142 мкВ, а відношення сигнал/шум перетворювача — 100 дБ, внесеною підсилювачем-драйвером додатковою похибкою можна знехтувати.
Висновки
- При використанні прецизійних АЦП з диференціальним входом для кодування сигналів датчиків з несиметричним виходом доцільно застосовувати драйвери для попереднього перетворення несиметричних сигналів у симетричні.
- Драйвери таких АЦП повинні мати великий КОСС, малий рівень вихідних шумів (менше рівня вхідних шумів АЦП) і високе відношення сигнал/шум.
