Дифференциальные драйверы для прецизионных АЦП

Большинство ИМС прецизионных АЦП имеют дифференциальный вход. Это позволяет обеспечить высокий КОСС, уменьшить уровень искажений второго порядка и упростить ка­либровку АЦП на постоянном токе. В случае использования несимметричных источников сигнала на входе АЦП применяют дифферен­циальные драйверы.

В качестве такого драйвера может быть ис­пользован трансформатор. Однако применение трансформатора в случае высокочастотных входных сигналов может привести к дополни­тельным нелинейным искажениям в тракте из­мерительного канала.

Особенности применения активных дифферен­циальных драйверов на входе 16-…18-разрядных АЦП с частотой выборки 10 МГц рассмотрены ниже. Входной частотный диапазон этих преобра­зователей ограничен единицами мегагерц.

На входе АЦП с дифференциальным вхо­дом, как правило, используется УВХ, типовая функциональная схема которого приведена на рис. 1. Усилитель-драйвер на входе АЦП дол­жен иметь время установления с требуемой точностью, меньшее половины периода выбор­ки входного сигнала. Величина входного дина­мического сопротивления УВХ изменяется при переходе из режима выборки в режим хране­ния. Кроме того, она зависит от частоты вход­ного сигнала. В режиме слежения (см. рис. 1) ключи S1 и S2 замкнуты и входной сигнал за­ряжает (разряжает) запоминающие емкости С_Н. При переходе УВХ в режим хранения клю­чи S1 и S2 (а также S3, S4, S7) размыкаются, а ключи S5 и S6 замыкаются и напряжения с за­поминающих емкостей С_Н поступают на выход УВХ. Наличие в УВХ дифференциального вхо­да обеспечивает ослабление коммутационных выбросов, вызванных коммутацией ключевых элементов.

На рис. 2, а показаны осциллограммы сигна­лов на входах дифференциального АЦП и синхросигналов (сигналов выборки), управляю­щих режимами его работы. Внешний буферный каскад между несимметричным выходом ис­точника сигнала и дифференциальным входом АЦП при этом отсутствует. На рис. 2, б приве­дена осциллограмма входных сигналов АЦП, на входе которого использован согласующий дифференциальный драйвер. Выбросы на ос­циллограмме, приведенной на рис. 2, б, прак­тически отсутствуют, так как они представляют собой синфазные сигналы. Отметим, что высо­кий КОСС обеспечивается хорошим согласова­нием импедансов входных цепей АЦП.

а)                                                                                                                                                        б)

Рис. 2. Осциллограммы входных сигналов и сигналов выборки при несимметричном (а) и симметричном (б) входе АЦП

На рис. 3 показан пример применения диф­ференциального драйвера ADA4941-1 на входе 18-разрядного АЦП семейства PulSAR, вход ко­торого построен с применением коммутируемых конденсаторов. Вход драйвера V_IN подключен к несимметричному биполярному источнику сиг­нала, выход драйвера – симметричный. В связи с тем, что разрешение АЦП составляет 18 бит, уровень шумов драйвера и вносимые им искаже­ния должны быть минимальными. Кроме того, драйвер должен иметь высокую точность на по­стоянном токе. Ток потребления усилителя- драйвера ADA4941 2.2 мА при напряжении пи­тания 3.3 В, уровень шума V_N – 10.2 нВ/Гц на частоте 1 кГц и уровень искажений -110 дБн на частоте 100 кГц. Полоса пропускания драйвера составляет 31 МГц для сигналов малой мощно­сти. Драйвер имеет rail-to-rail выход, большой входной импеданс и регулируемый пользовате­лем коэффициент усиления.

Усилитель ADA4941-1 состоит из двух ОУ. Нижний ОУ (см. рис. 3) является неинверти­рующим буферным каскадом, причем цепь его обратной связи формируется внешними резис­торами. Выход этого ОУ подключен ко входу

Рис. 3. Схема включения драйвера ADA4941-1 на входе 18-разрядного АЦП AD7690

Рис.4 Схема включения драйвера ADA4922-1 на входе 18-разрядного АЦП AD7634

инвертирующего ОУ, цепь обратной связи ко­торого сформирована встроенными резистора­ми. Наличие некоторого фазового сдвига и за­держки прохождения входного сигнала через два включенных последовательно ОУ практи­чески не влияет на погрешность измерительно­го канала в целом в полосе частот до 2 МГц. Нижний ОУ драйвера обеспечивает ослабление входного сигнала, благодаря чему разностный выходной сигнал драйвера изменяется в преде­лах 100 мВ относительно потенциала земли. Это позволяет использовать однополярное на­пряжение питания 5 В.

Диапазон входных напряжений АЦП AD7690 (AD7691) составляет 2U_REF от пика до пика. Опор­ное напряжение источника ADR444 (см. рис. 3) равно 4.096 В. Используемый на входе АЦП AD7690 ФНЧ содержит конденсатор емкостью 3.9 нФ и резистор сопротивлением 41.2 Ом, обес­печивающие частоту среза 1 МГц, что согласуется с полосой пропускания АЦП AD7690, равной 9 МГц. Спектральная плотность шума на выходе усилителя ADA4941-1 составляет 10.2 нВ/Гц, среднеквадратичное значение шума на входе пре­образователя при использовании ФНЧ не превы­шает 13 мкВ. Отношение сигнал/шум при схеме включения усилителя в соответствии с рис. 3 со­ставляет 107 дБ, что на 7 дБ больше этого же отно­шения для преобразователя AD7690.

На рис. 4 представлена схема драйвера, вы­полненного на основе усилителя ADA4922-1 и предназначенного для АЦП семейства PulSAR AD7634. В связи с тем, что во многих случаях входные сигналы измерительного канала могут превышать напряжение ±10 В, применение преобразователя AD7634, выполненного по тех­нологии iCMOS, позволяет обеспечить кодиро­вание сигналов высокого уровня. Усилитель ADA4922-1 применяется в качестве драйвера АЦП, разрешение которого составляет 16 или 18 бит. Драйвер преобразует несимметричный сигнал в симметричный (или дифференциаль­ный), причем на выходе такого драйвера размах сигнала может достигать 40 В. Частота среза драйвера в режиме малого сигнала составляет 38 МГц. Использование ФНЧ на выходе драйве­ра обеспечивает уровень шума (среднеквадра­тичное значение) не более 15 мкВ, отношение сигнал/шум измерительного канала благодаря использованию драйвера ADA4922-1 состав­ляет 119 дБ. Исходя из того, что уровень шума на входе АЦП (среднеквадратичное значение) составляет 142 мкВ, а отношение сигнал/шум преобразователя – 100 дБ, вносимой усилите­лем-драйвером дополнительной погрешностью можно пренебречь.

ВЫВОДЫ

1. При использовании прецизионных АЦП с дифференциальным входом для кодирования сигналов датчиков с несимметричным выходом целесообразно примененять драйверы для предварительного преобразования несиммет­ричных сигналов в симметричные.
2. Драйверы таких АЦП должны иметь большой КОСС, малый уровень выходных шу­мов (меньше уровня входных шумов АЦП) и высокое отношение сигнал/шум.