Драйверы 16-разрядных АЦП, выполненные на основе быстродействующих ОУ

08.07.2023 |

Современные АЦП, отличающиеся высоким разрешением, представляют собой высокоомную нагрузку по постоянному току (до нескольких сотен Ом) и быстроизменяющуюся динамическую нагрузку на переменном токе для датчиков и других источников сигналов. Такой характер нагрузки, создаваемой со- временными АЦП, приводит к возникновению значительных погрешностей при кодировании сигналов.

Для устранения данных погрешностей на входе АЦП используют драйверы, выполненные на основе высококачественных ОУ с малым временем установления выходного сигнала. Эти усилители имеют входной импеданс до нескольких мегаом и минимальный выход- ной импеданс, что позволяет практически исключить влияние изменения входного сопротивления АЦП на точность преобразования сигналов датчиков. Кроме того, ОУ на входе АЦП позволяет согласовать уровни сигналов датчиков с входным диапазоном преобразователя, а также уменьшить уровень шумов на входе АЦП путем их фильтрации. Если датчик является однопроводным, а вход АЦП дифференциальным, драйвер также обеспечивает согласование такого датчика с преобразователем.

При выборе ОУ в качестве входного драйвера АЦП следует иметь ввиду, что характеристики усилителя по точности, уровню шумов и искажений, а также времени установления выходного сигнала должны существенно превосходить аналогичные параметры АЦП.

Это вызывает определенные трудности, если используется быстродействующий АЦП поразрядного уравновешивания с разрешением 16-18 двоичных разрядов. Ниже изложены требования к определению параметров ОУ на основе известных характеристик АЦП.

Требования к времени установления выходного сигнала ОУ.

Для того чтобы полностью использовать возможности АЦП по скорости выборки входного сигнала, общее время установления драйвера на основе ОУ и преобразователя с точностью 1 ЕМР при полном размахе входного сигнала должно быть меньше времени преобразования, определяемого исходя

из максимальной частоты выборки АЦП. Это особенно важно, если АЦП подключен через коммутатор к нескольким источникам входного сигнала. Так, напри- мер, общее время установления ОУ и АЦП должно быть менее 1 мкс для быстродействующего 16-раз- рядного АЦП с частотой выборки 1 МГц (что имеет место для 16-разрядного АЦП с дифференциальным входом AD7677 или АЦП с биполярным входом AD7671), а также менее 1.25 мкс для 18-разрядного АЦП с частотой выборки 800 кГц (что имеет место для АЦП AD7674).

К сожалению, в технических описаниях (data sheet) усилителей такой параметр, как время установления, нормируется для точности установления 0.1 % или 0.01 % при полном размахе входного сигнала, в то время как для 16-разрядного АЦП необходимо знать время установления выходного сигнала ОУ с точностью 0.0015 %, а для 18-разрядного АЦП – с точностью 0.0004 %. Поэтому для выбора усилителя с заданным временем и точностью установления разработчику следует самостоятельно определить данные параметры, либо применять ОУ с внешней цепью частотной коррекции. Так, например, ОУ AD8021 имеет паспортное время установления выходного сигнала 23 нс с точностью 0.01 %, однако, кроме внутренней корректирующей емкости, в нем может быть использована внешняя цепь коррекции, позволяющая обеспечить максимальную полосу частот при минимальном уро- вне шумов и искажений. В этом случае время установления усилителя задается исходя из разрядности АЦП не только для единичного коэффициента усиления ОУ, но и для коэффициента усиления больше единицы.

 

Требования к уровню шумов ОУ. Шум, генерируемый драйвером на основе ОУ, должен быть ниже шума АЦП, чтобы не ухудшать параметры устройства в целом. В случае если в качестве АЦП используется AD7671, уровень шума, генерируемого усилителем, уменьшается с помощью встроенного в АЦП входного делителя. Отношение сигнал/шум (SNR) системы “усилитель-АЦП” можно определить из выражения

 

где NАЦП – среднеквадратичный уровень шумов АЦП в мкВ, fср – частота среза АЦП в МГц, N – коэффициент усиления ОУ, eп – спектральная плотность входного шума ОУ в нВ/√Гц, UАЦП – размах входного сигнала АЦП в В.

Если в качестве ОУ используется AD8021, а в качестве АЦП – AD7671, то уровень шумов на входе АЦП составляет 28 мкВ, частота среза АЦП 9.6 МГц, размах входного сигнала АЦП 5 В, спектральная плотность входного шума ОУ 2 нВ/√Гц. При единичном коэффициенте усиления ОУ отношение SNRОУ, АЦП всего лишь на 0.08 дБ превышает отношение SNRАЦП.

Требования к уровню нелинейных искажений

ОУ плюс АЦП. Подключение АЦП непосредственно к датчику с высоким выходным импедансом может привести к росту нелинейных искажений. Особенно это проявляется на переменном токе в связи с тем, что входной импеданс современных АЦП имеет емкостный характер, причем емкость на входе АЦП отличается высокой нелинейностью. Уменьшить нелинейные искажения можно с помощью драйвера на входе АЦП, при этом следует иметь ввиду, что нелинейные искажения самого драйвера должны быть меньше нелинейных искажений АЦП. На рис. 1 представлена зависимость нелинейных искажений от величины входного сигнала для ОУ AD8021 (входного драйвера) и АЦП AD7671 при максимальном размахе входного сигнала от 0 до 2.5 В. На частотах 20 и 200 кГц уровень нелинейных искажений не превышает -100 дБ.

Рис. 1. Зависимость нелинейных искажений, амплитуды второй и третьей гармоник от величины входного сигнала для АЦП AD7671 с ОУ AD8021 на входе

 

Подключение драйвера к АЦП с несимметричным входом. На рис. 2 показана 16-разрядная система сбора данных на основе драйвера (AD8021) и АЦП (AD7671). Драйвер представляет собой повторитель с высоким входным импедансом, что позволяет подключить к его входу пассивный фильтр или коммутатор. Резистор номиналом 50 Ом в цепи обратной связи обеспечивает устойчивость работы ОУ. Фильтр на выходе повторителя, содержащий резистор сопротивлением 15 Ом и конденсатор емкостью 2.7 нФ, позволяет снизить уровень шумов. В качестве опорного источника использована ИМС ADR421 с малым ТКН. В связи с тем, что АЦП построен на основе коммутируемых конденсаторов, на выходе опорного источника используется фильтр, снижающий уровень выбросов в уравновешивающей цепи преобразователя. Для уменьшения уровня помех по цепям питания в АЦП используются три раздельных источника питания: источник питания аналоговых узлов напряжением 5 В, источник питания цифровых узлов напряжением 5 В и источник питания устройств ввода/вывода, напряжение которого может находиться в пределах от 2.5 до 5.25 В. Динамические характеристики системы сбора данных представлены на рис. 3, 4, в частности, на рис. 3 показана выходная спектральная характеристика АЦП при частоте входного сигнала 45 кГц, а на рис. 4 – зависимость нелинейных искажений АЦП, амплитуды второй и третьей гармоник, а также динамического диапазона неискаженного сигнала от частоты входного сигнала.

Рис. 2. Функциональная схема 16-разрядной системы сбора данных

 

Подключение драйвера к АЦП с дифференциальным входом. В системе сбора данных (рис. 2) использовано включение АЦП с несимметричным входом, однако на основе драйвера (AD8021) нетрудно обеспечить преобразование несимметричного в симметричный или дифференциальный сигнал и таким образом полностью использовать возможности АЦП AD7677 с дифференциальным входом. Система сбора данных с симметричным включением АЦП приведена на рис. 5. Путем смещения выходного диапазона датчика, которое обеспечивается с помощью опорного источника, на вход АЦП поступает симметричный сигнал размахом от -2.5 до 2.5 В. Такое включение АЦП дает возможность существенно ослабить синфазную помеху (рис. 6).

Рис. 3. Спектральная характеристика системы сбора данных

Рис. 4. Зависимость нелинейных искажений, амплитуды второй и третьей гармоник, а также динамического диапазона неискаженного сигнала от частоты

Усилитель с внешней цепью частотной коррекции. В усилителе AD8021, как было отмечено выше, предусмотрена цепь внешней высокочастотной коррекции. Следует отметить, что большинство выпускаемых сегодня ОУ таких цепей не имеет. В них используется внутренний конденсатор для обеспечения устойчивой работы в случае, если ОУ охвачен отрицательной обратной связью (ООС). Однако величина внутренней емкости выбирается с большим запасом, что приводит к существенному уменьшению полосы частот при увеличении коэффициента усиления ОУ с ООС. Так, например, если при единичном усилении частота среза ОУ с внутренней высокочастотной коррекцией составляет 200 МГц, то при коэффициенте усиления, равном 10, частота среза уменьшается до 20 МГц. В то же время при уменьшении величины внуренней емкости полоса частот при коэффициенте 10 увеличивается, но нарушается устойчивость работы ОУ при единичном коэффициенте усиления. Поэтому наличие специального вывода для подключения внешней корректирующей емкости (как это было в первых ОУ) позволяет обеспечить устойчивую работу усилителя при заданном коэффициенте усиления и максимальной частоте среза.

В усилителе AD8021 величина внутренней корректирующей емкости составляет 1.5 пФ, причем этот конденсатор обеспечивает устойчивую работу ОУ, начиная с коэффициента усиления 10 и выше. Если же коэффициент усиления AD8021 с ООС ниже 10, то устойчивость работы этого усилителя обеспечивается внешней емкостью СС (рис. 5).

Рис. 5. Схема преобразования несимметричного сигнала в симметричный

Рис. 6. Зависимость КОСС от частоты входного сигнала при симметричной схеме включения АЦП

 Таким образом, использование ОУ с высокими характеристиками в качестве входных драйверов быстродействующих прецизионных АЦП позволяет снизить уровень шумов и искажений на входе АЦП, обеспечить согласование сигналов датчиков с входным диапазоном АЦП, не ухудшая при этом динамические и метрологические параметры собственно АЦП.