Токи утечки входных цепей быстродействующих сигма-дельта АЦП и методы их снижения

Рассмотрены методы оценки и снижения влияния входных то­ков утечки на работу быстродей­ствующих сигма-дельта АЦП.

Т. Мини

В статье проведен анализ причин возникновения входных токов в быстродействующих сигма-дельта АЦП, в том числе вызванных мультиплексированием сигнала на входе преобразователя или перекоммута- цией сигнала во входных цепях АЦП (chopping-pe- жим), следствием которых является заряд-разряд входной емкости сигма-дельта модулятора. В качест­ве примера выбраны АЦП AD7738 и AD7739, хотя ре­зультаты анализа могут быть применены к любому быстродействующему преобразователю.

Оба преобразователя имеют входной буфер, при­чем ток утечки буфера АЦП AD7738 составляет 200 нА, а буфера АЦП AD7739 – 5 нА. Структурная схе­ма внутреннего входного интерфейса АЦП AD7739 приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема внутреннего входного интерфейса для дифференциального сигнала АЦП AD7739

Мультиплексор со входами AIN0…AIN7 может быть сконфигурирован для ввода несимметричных или симметричных (дифференциальных) сигналов. На рис. 2 приведена упрощенная эквивалентная схема двух каналов мультиплексора и входной цепи АЦП, причем напряжение на входе первого канала U 1 = 1.25 B, а на входе второго – U2=3.75 B. Выходная емкость мультиплексора С LOAD включает емкости мон­тажа, суммарную емкость ключей мультиплексора и входную емкость АЦП или буферного каскада. Еслизамкнут второй ключ, емкость С LOAD заряжается до уровня напряжения 3.75 B. Перезаряд емкости, вы­званный коммутацией ключей, приводит к возникно­вению тока заряда/разряда, протекающего на входе АЦП. Среднее значение этого тока I можно опреде­лить из выражения:

I = С LOAD (U1-U 2) FSWITCH/²,                    ⁽¹⁾

где FSWITCH – частота коммутации.

Если входной импеданс буферного каскада неве­лик, током I можно пренебречь. Типовое значение ем­кости С LOAD АЦП AD7738 составляет 20 пФ, а АЦП AD7739 – 10 пФ. В каждом из рассматриваемых АЦП время установления сигнала на входе нормируется и составляет 7 мкс. Таким образом, зная величину С LOAD и время установления входного сигнала, можно рас­считать допустимое значение входного импеданса R_IN для заданной точности преобразования. Если задана точность преобразования 16 разрядов, то входной импеданс R_IN можно вычислить из выражения:

12RIN СLOAD<7 мкс.                           (2)

Из (2) следует, что входное сопротивление для AD7738 должно быть RIN<29.1 кОм, а для AD7739 RIN<58 кОм.

В случае, если входное сопротивление превысит значение, полученное из (2), точность преобразова­ния будет хуже ожидаемой.

Перекоммутация (chopping) входного сигнала прецизионного АЦП позволяет уменьшить напряжение смещения нуля, дрейф этого смещения, ослабить влияние синфазной помехи, нестабильности источни­ка питания и т.п.

Рис. 2. Эквивалентная схема двух каналов мультиплексора и входной цепи АЦП

Для этого входная цепь преобразова­телей типа AD7738 или AD7739 выполняется по схе­ме, приведенной на рис. 3, а само преобразование

Рис. 3. Структурная схема входной цепи АЦП с перекоммутацией сигнала

входного сигнала в каждой точке шкалы состоит из двух отсчетов. При первом отсчете вход AINO подклю­чается к выходу MUXP и входной сигнал U₁ заряжает емкость СLOAD1, а входной сигнал U2 – емкость С_LOAD2. При втором отсчете происходит перекоммутация входных цепей АЦП и входной сигнал U₁ заряжает ем­кость С_LOAD2, а входной сигнал U2 – С_LOAD1. Средний ток заряда может быть вычислен по формуле

I=2CLOADUF,                                                                      (3)

где C_LOAD – емкость нагрузки, U – разница напряжений U₁ и U₂, F – частота выборки.

Коэффициент 2 в выражении (3) говорит о том, что частота выборки F вдвое меньше частоты перекомму- тации входной цепи АЦП. Из (3) следует, что переком- мутация может привести к появлению погрешности, аналогичной той, которую, как было показано выше, вносит входной мультиплексор. Поэтому выбор час­тоты перекоммутации также зависит от величины входного импеданса.

Если в сигма-дельта АЦП или АЦП на коммутируе­мых конденсаторах отсутствует буферный каскад, на входе преобразователя включена емкость С _LOAD, кото­рая заряжается или разряжается в каждом такте пре­образования. Ток заряда/разряда определяется со­отношением:

I = С LOAD UFТ,                                                                    (4)

где F_Т – тактовая частота.

Для обеспечения 16-разрядной точности время установления тока в цепи заряда должно составлять 12т_з(т_з – постоянная времени цепи заряда) или 12R_INC_LOAD. Как правило, емкость на входе рассматри­ваемых АЦП составляет 4…8 пФ. Отсюда из (4) мож­но рассчитать максимальную тактовую частоту F_Т, ис­ходя из величины сопротивления R_IN.

В рассмотренных примерах заряд емкости проис­ходил по экспоненте. Однако, если на входе АЦП ис­пользуют внешний RC-фильтр (RINCIN), то пульсации напряжения на выходной емкости мультиплексора (C_LOAD) сглаживаются. Пример организации входной цепи такого АЦП приведен на рис. 4. В этом случае емкость С LOAD должна перезаряжаться через сопротивле­ние ключа R_MUX мультиплексора при каждой смене ка­нала. В то же время перезаряжается и емкость фильт­ра C_IN, причем ток заряда C_IN намного превышает ток заряда СLOAD. Таким образом, в процессе выборки мо­жет наблюдаться некоторое изменение входного на­пряжения, влияние которого на точность преобразо­вания можно ослабить правильным выбором соотно­шения CN и С LOAD и тактовой частоты АЦП. Величина изменения напряжения на входе АЦП приблизительно равна (R_IN С LOAD U _ВХ F). Если параметры выбрать, исходя из частоты среза фильтра Fс_р, например, Fср=100 Гц, то постоянная времени фильтра т_ср составит 1.59 мс. Для обеспечения 16-разрядной точности время установ­ления тока заряда составит 12т_ср или 19 мс. Если для АЦП AD7739 выбрать CIN=1 мкФ, RIN=100 кОм, то при R MUX=100 Ом, С LOAD=10 пФ, частоте выборки по одному каналу 100 Гц, частоте опроса 8-канального мульти­плексора – 800 Гц и разности напряжений между вхо­дами мультиплексора, равной 2.5 В, входной ток в любом канале этого АЦП будет равен

I =10’¹²-2.5-100=2.5 нА.

Максимальный входной ток в случае использова­ния режима перекоммутации составит 5 нА, а входной ток буферного каскада – 2 нА. Таким образом, сум­марный ток утечки этого АЦП равен 9.5 нА. Провал входного напряжения при R_IN=100 кОм равен 950 мкВ, что ограничивает точность преобразователя 12 раз­рядами.

Рис. 4. Принципиальная схема входной цепи АЦП с RC-фильтром

Выводы

1. Точность быстродействующих сигма-дельта АЦП во многом зависит от токов утечки во входных це­пях таких преобразователей.
2. Эти токи вызваны мультиплексированием кана­лов на входе преобразователя, введением режима пе- рекоммутации (chopping-режима), перезарядом вход­ной емкости сигма-дельта модулятора. Кроме того, на величину токов утечки влияют выходные токи буфер­ных каскадов и параметры входных RC-фильтров.
3. Для минимизации влияния токов утечки на точ­ность преобразователей следует правильно выби­рать параметры входных фильтров, величину входно­го импеданса, тактовую частоту АЦП, частоту опроса каналов мультиплексора и частоту перекоммутации в chopping-режиме.
4. В статье приведены выражения для выбора оп­тимальных параметров входных цепей сигма-дельта АЦП и конкретные примеры реализации этих целей.