Диференціальні драйвери для прецизійних АЦП

Особливості застосування диференціальних драйверів на вході прецизійних АЦП

Більшість ІМС прецизійних АЦП мають диференціальний вхід. Це дозволяє забезпечити високий КВСС, зменшити рівень викривлень другого порядку і спростити калібрування АЦП на постійному струмі. У разі використання несиметричних джерел сигналу на вході АЦП застосовують диференціальні драйвери.

Як такий драйвер може бути використаний трансформатор. Однак застосування трансформатора в разі високочастотних вхідних сигналів може призвести до додаткових нелінійних викривлень у трактi 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.

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 потрібною 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 замкнуті, і вхідний сигнал заряджає (розряджає) запам’ятовувальні ємності СH. 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’ятовувальних ємностей СH надходять на вихід УВХ. Наявність у 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 використаний узгоджувальний диференціальний драйвер. Викиди на осцилограмі, наведені на рис. 2, б, практично відсутні, оскільки вони являють собою синфазні сигнали. Відзначимо, що високий КВСС забезпечується добрим узгодженням імпедансів вхідних ланцюгів АЦП.

а)

б)

Застосування диференціального драйвера ADA4941-1 для 18-розрядного АЦП

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 внесені ним викривлення повинні бути мінімальними. Крім того, драйвер повинен мати високу точність на постійному струмі. Струм споживання підсилювача-драйвера ADA4941 становить 2.2 мА при напрузі живлення 3.3 В, рівень шуму VN — 10.2 нВ/Гц на частоті 1 кГц і рівень викривлень –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 ОП. Нижній ОП (див. рис. 3) є неінвертувальним буферним каскадом, причому ланцюг його зворотного зв’язку формується зовнішніми резисторами. Вихід цього ОП підключений до входу інвертувального ОП, ланцюг зворотного зв’язку якого сформований вбудованими резисторами. Наявність деякого фазового зсуву і затримки проходження вхідного сигналу через два послідовно ввімкнені ОП практично не впливає на похибку вимірювального каналу загалом у смузі частот до 2 МГц. Нижній ОП 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 2U_REF від піку до піку. Опорна напруга джерела ADR444 (див. рис. 3) дорівнює 4.096 В. Використаний 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. Співвідношення сигнал/шум при схемі увімкнення підсилювача відповідно до рис. 3 становить 107 дБ, що на 7 дБ більше, ніж це співвідношення для перетворювача AD7690.

Драйвер на базі ADA4922-1 для АЦП AD7634

На рис. 4 подана схема драйвера, виконаного на основі підсилювача ADA4922-1 і призначеного для АЦП сімейства PulSAR AD7634. У зв’язку з тим, що в багатьох випадках вхідні сигнали вимірювального каналу можуть перевищувати напругу ±10 В, застосування перетворювача AD7634, виконаного за технологією iCMOS, дає змогу 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 більш ніж 15 мкВ, співвідношення 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 співвідношення 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 КВСС, малий рівень вихідних шумів (менший за рівень вхідних шумів АЦП) і високе співвідношення сигнал/шум.