Електронні компоненти і системи 
У статті проведений аналіз причин виникнення вхідних струмів у швидкодійних сигма-дельта АЦП, у тому числі викликаних мультиплексуванням сигналу на вході перетворювача або перекомутацією сигналу у вхідних ланцюгах АЦП (chopping-режим), наслідком яких є заряд-розряд вхідної ємності сигма-дельта модулятора. В якості прикладу вибрані АЦП AD7738 і AD7739, хоча результати аналізу можуть бути застосовані до будь-якого швидкодійного перетворювача.
Обидва перетворювачі мають вхідний буфер, причому струм витоку буфера АЦП AD7738 становить 200 нА, а буфера АЦП AD7739 – 5 нА. Структурна схема внутрішнього вхідного інтерфейсу АЦП AD7739 наведена на рис. 1.
Мультиплексор і вхідна ємність
Мультиплексор з входами AIN0…AIN7 може бути сконфігурований для введення несиметричних або симетричних (диференціальних) сигналів. На рис. 2 наведена спрощена еквівалентна схема двох каналів мультиплексора і вхідного ланцюга АЦП, причому напруга на вході першого каналу U1 = 1.25 В, а на вході другого – U2=3.75 В. Вихідна ємність мультиплексора СLOAD включає ємності монтажу, сумарну ємність ключів мультиплексора і вхідну ємність АЦП або буферного каскаду. Якщо замкнутий другий ключ, ємність СLOAD заряджається до рівня напруги 3.75 В. Перезаряд ємності, викликаний комутацією ключів, призводить до виникнення струму заряду/розряду, що протікає на вході АЦП. Середнє значення цього струму I можна визначити з виразу:
I = СLOAD (U1-U2) FSWITCH/2, (1)
де FSWITCH – частота комутації.
Якщо вхідний імпеданс буферного каскаду невеликий, струмом I можна знехтувати. Типове значення ємності СLOAD АЦП AD7738 становить 20 пФ, а АЦП AD7739 – 10 пФ. У кожному з розглянутих АЦП час встановлення сигналу на вході нормується і становить 7 мкс. Таким чином, знаючи величину СLOAD і час встановлення вхідного сигналу, можна розрахувати допустиме значення вхідного імпедансу RIN для заданої точності перетворення. Якщо задана точність перетворення 16 розрядів, то вхідний імпеданс RIN можна обчислити з виразу:
12RIN СLOAD<7 мкс. (2)
З (2) слідує, що вхідний опір для AD7738 повинен бути RIN<29.1 кОм, а для AD7739 RIN<58 кОм.
У випадку, якщо вхідний опір перевищить значення, отримане з (2), точність перетворення буде гіршою за очікувану.
Перекомутація (chopping) вхідного сигналу
Перекомутація (chopping) вхідного сигналу прецизійного АЦП дозволяє зменшити напругу зміщення нуля, дрейф цього зміщення, послабити вплив синфазної перешкоди, нестабільності джерела живлення тощо.
Для цього вхідний ланцюг перетворювачів типу AD7738 або AD7739 виконується за схемою, наведеною на рис. 3, а саме перетворення вхідного сигналу в кожній точці шкали складається з двох відліків. При першому відліку вхід AINO підключається до виходу MUXP і вхідний сигнал U1 заряджає ємність СLOAD1, а вхідний сигнал U2 – ємність СLOAD2. При другому відліку відбувається перекомутація вхідних ланцюгів АЦП і вхідний сигнал U1 заряджає ємність СLOAD2, а вхідний сигнал U2 – СLOAD1. Середній струм заряду може бути обчислений за формулою
I=2CLOADUF, (3)
де CLOAD – ємність навантаження, U – різниця напруг U1 і U2, F – частота вибірки.
Коефіцієнт 2 у виразі (3) говорить про те, що частота вибірки F вдвічі менша за частоту перекомутації вхідного ланцюга АЦП. З (3) слідує, що перекомутація може призвести до появи погрішності, аналогічної тій, яку, як було показано вище, вносить вхідний мультиплексор. Тому вибір частоти перекомутації також залежить від величини вхідного імпедансу.
Вхідна ємність без буфера
Якщо в сигма-дельта АЦП або АЦП на комутованих конденсаторах відсутній буферний каскад, на вході перетворювача включена ємність СLOAD, яка заряджається або розряджається в кожному такті перетворення. Струм заряду/розряду визначається співвідношенням:
I = СLOAD UFТ, (4)
де FТ – тактова частота.
Для забезпечення 16-розрядної точності час встановлення струму в ланцюзі заряду повинен становити 12τз(τз – постійна часу ланцюга заряду) або 12RINCLOAD. Як правило, ємність на вході розглянутих АЦП становить 4…8 пФ. Звідси з (4) можна розрахувати максимальну тактову частоту FТ, виходячи з величини опору RIN.
У розглянутих прикладах заряд ємності відбувався по експоненті. Однак, якщо на вході АЦП використовують зовнішній RC-фільтр (RINCIN), то пульсації напруги на вихідній ємності мультиплексора (CLOAD) згладжуються. Приклад організації вхідного ланцюга такого АЦП наведений на рис. 4. У цьому випадку ємність СLOAD повинна перезаряджатися через опір ключа RMUX мультиплексора при кожній зміні каналу. У той же час перезаряджається і ємність фільтра CIN, причому струм заряду CIN набагато перевищує струм заряду СLOAD. Таким чином, у процесі вибірки може спостерігатися деяка зміна вхідної напруги, вплив якої на точність перетворення можна послабити правильним вибором співвідношення CN і СLOAD і тактової частоти АЦП. Величина зміни напруги на вході АЦП приблизно дорівнює (RIN СLOAD UВХ F). Якщо параметри вибрати, виходячи з частоти зрізу фільтра Fср, наприклад, Fср=100 Гц, то постійна часу фільтра τср становитиме 1.59 мс. Для забезпечення 16-розрядної точності час встановлення струму заряду становитиме 12τср або 19 мс. Якщо для АЦП AD7739 вибрати CIN=1 мкФ, RIN=100 кОм, то при RMUX=100 Ом, СLOAD=10 пФ, частоті вибірки по одному каналу 100 Гц, частоті опитування 8-канального мультиплексора – 800 Гц і різниці напруг між входами мультиплексора, рівній 2.5 В, вхідний струм у будь-якому каналі цього АЦП буде рівним
I =10’12-2.5-100=2.5 нА.
Максимальний вхідний струм у випадку використання режиму перекомутації становитиме 5 нА, а вхідний струм буферного каскаду – 2 нА. Таким чином, сумарний струм витоку цього АЦП дорівнює 9.5 нА. Провал вхідної напруги при RIN=100 кОм дорівнює 950 мкВ, що обмежує точність перетворювача 12 розрядами.
Висновки
- Точність швидкодіючих сигма-дельта АЦП багато в чому залежить від струмів витоку у вхідних ланцюгах таких перетворювачів.
- Ці струми викликані мультиплексуванням каналів на вході перетворювача, введенням режиму перекомутації (chopping-режиму), перезарядженням вхідної ємності сигма-дельта модулятора. Крім того, на величину струмів витоку впливають вихідні струми буферних каскадів та параметри вхідних RC-фільтрів.
- Для мінімізації впливу струмів витоку на точність перетворювачів слід правильно вибирати параметри вхідних фільтрів, величину вхідного імпедансу, тактову частоту АЦП, частоту опитування каналів мультиплексора та частоту перекомутації у chopping-режимі.
- У статті наведено вирази для вибору оптимальних параметрів вхідних ланцюгів сигма-дельта АЦП та конкретні приклади реалізації цих цілей.
