Драйвер ацп на оу: Драйвер АЦП — DiMoon Electronics

Как повысить производительность драйвера сигма-дельта-АЦП

На рис. 8 показано, что низкий входной ток АЦП (включен режим с высоким импедансом) снижает требования к частоте среза фильтра, а также дает возможность снизить номинальное значение сопротивления в фильтре, повышая производительность АЦП по сравнению с точно такой же конфигурацией, но в режиме отключения высокого импеданса.
На рис. 9 можно видеть, что, увеличивая частоту среза входного фильтра, внешний усилитель может быстрее заряжать/разряжать конденсатор выборки, но за счет более высокого уровня шума. Например, при включенном режиме высокого импеданса шум сигнала дискретизированного при частоте среза 500 кГц меньше, чем при 1,3 МГц. Следовательно, значение SINAD при входной полосе пропускания 500 кГц лучше. Кроме того, емкость, требуемая фильтром нижних частот, уменьшается, что улучшает производительность усилителя-драйвера (буферного каскада).

Преимущества с точки зрения схемотехники
Добавление этих более простых в управлении или снижающих нагрузку функций, реализованных в последних АЦП компании Analog Devices, оказывает существенное влияние на общую цепочку сигналов. Основное преимущество, которое имеет разработчик при передаче решения некоторых проблем драйвера непосредственно в АЦП, заключается в том, что его можно спроектировать максимально эффективным для требований к сигналу именно этого АЦП, решая тем самым сразу несколько проблем, включая оптимальную полосу пропускания и стабильность буферного усилителя.
Снижение входного тока АЦП и, следовательно, уменьшение проблемы переноса заряда гарантирует, что буферный усилитель будет иметь дело с меньшим шагом напряжения, но с тем же периодом полной выборки, что и стандартный вход с переключаемым конденсатором.
Наличие меньших ступенек напряжения для установления (линейное изменение до конечного значения) в течение заданного периода — то же самое, что наличие более длительного периода для установления при большем шаге. Конечный эффект заключается в том, что усилителю теперь не требуется такая широкая полоса пропускания, чтобы довести входное напряжение АЦП до того же конечного значения. Кроме того, уменьшение полосы пропускания обычно означает и снижение мощности, потребляемой усилителем.
Другой способ состоит в том, чтобы представить, как усилитель, который обычно не мог иметь достаточную полосу пропускания для настройки входа данного АЦП, теперь благодаря включенному буферу предварительного заряда может достичь достаточного согласования по полосе пропускания.
В руководстве [10], представленном компанией Analog Devices, показано, как меняется производительность АЦП на примере ряда усилителей, работающих в паре с АЦП AD7768 [8] в трех режимах — медленном, среднем и быстром. С одним из приведенных в этом документе усилителей, а именно ADA4500-2 [11], сделана попытка настроить вход АЦП AD7768 при отключенном буфере предварительного заряда в режиме средней мощности, в результате
чего уровень искажений THD превысил –96 дБ. Однако когда буфер был включен, производительность значительно улучшается вплоть до уровня THD, равного –110 дБ.
Согласно спецификации, полоса пропускания усилителя ADA4500-2 составляет 10 МГц, а полоса пропускания, необходимая для установления сигнала на входе AD7768 в данном режиме, — приблизительно 12 МГц, значит, использование усилителя с меньшей полосой пропускания стало возможным благодаря функции, облегчающей согласование сигнала. Таким образом, эта функция не только упрощает разработку буферной схемы по входу АЦП, но и предоставляет больше свободы при выборе компонентов, а значит, можно использовать компоненты, наиболее подходящие для обеспечения требуемого уровня энергопотребления и, соответственно, меньшей
генерации тепла.
Вторичное преимущество состоит в том, что теперь через последовательный резистор, который используется как часть входной RC-цепи, протекает меньше тока. Оно связано с уменьшением тока на аналоговом входе АЦП.
Для традиционных входов АЦП относительно большой ток означал, что можно применять только резисторы небольшого номинала, иначе на этом резисторе будет наблюдаться большое падение напряжения. Это может происходить в результате преобразования входного сигнала и привести к ошибке усиления и погрешности линейности в АЦП.
Однако при меньших значениях резисторов также существуют свои проблемы. Достижение той же полосы пропускания ФНЧ с использованием меньшего по номиналу резистора означает применение конденсатора большей емкости. Но такая комбинация большого по емкости конденсатора и резистора с небольшим сопротивлением способна вызвать нестабильность буферного усилителя. Тем не менее пониженный ток, достигаемый благодаря использованию новой функции, облегчающей согласование сигнала, означает, что можно использовать резисторы с большим значением сопротивления, не оказывающие влияния на производительность системы «усилитель — АЦП» и обеспечат ее стабильность.

Дополнительные возможности для улучшения производительности
Из всего сказанного о потенциале для схемотехники становится ясно, что есть также преимущества в производительности или возможности для дальнейшего ее повышения при использовании новых функций АЦП.
Уже упомянутая возможность достижения лучшей производительности с помощью усилителей с меньшей пропускной способностью, также способствует повышению общей производительности и разработке более оптимальных систем. Скажем, даже при хорошо настроенном входном сигнале может оставаться некоторое несоответствие между входами, поскольку все же имеет место окончательное установление. Таким образом, например, включение схемы предварительной зарядки означает, что время окончательного урегулирования будет намного меньше. Следовательно, и здесь могут быть достигнуты лучшие уровни THD, причем там, где ранее это было бы невозможно.
Кроме того, снижение тока, проходящего через последовательный резистор ФНЧ, также повышает производительность. Это не только значительно снижает входной ток, теперь он тоже практически
не зависит от входного напряжения. Улучшенное значение THD может быть достигнуто, поскольку любые несоответствия в резисторах на входной паре приведут к меньшим различиям напряжения, наблюдаемым на входе АЦП, и к падению напряжения, уже не имеющему зависимости от уровня сигнала.
Более низкий входной ток влияет на смещение и точность усиления. Из-за снижения абсолютного тока и зависимых от сигнала изменений тока меньше вероятность того, что изменение значений компонентов по каждому каналу или по каждой физической плате приведет к заметному изменению ошибок смещения и усиления. Это результат все той же причины, по которой более низкий ток приводит к меньшему падению напряжения через последовательные сопротивления.
Благодаря использованию схемы предварительной зарядки могут быть достигнуты и лучшие характеристики в части абсолютного смещения и погрешности усиления, а также более стабильная производительность для плат или каналов в конечной системе.
Еще одно преимущество заключается в более низком токе в системах, где частота дискретизации АЦП изменяется для адаптации к различным потребностям сбора сигналов, например в картах сбора данных. Без применения схемы предварительной зарядки падение напряжения на входных пассивных компонентах зависит от частоты дискретизации АЦП, поскольку входной конденсатор АЦП при более высоких частотах дискретизации будет заряжаться и разряжаться чаще. Это относится как к аналоговому входному тракту, так и к эталонному (опорному) входному тракту, и подобное изменение напряжения рассматривается для АЦП как ошибки смещения и усиления,
зависящие от частоты дискретизации.
Кроме того, при включенных буферных каскадах предварительной зарядки абсолютный ток и, следовательно, абсолютное падение напряжения намного меньше, поэтому изменение напряжения по мере изменения частоты дискретизации АЦП также будет намного ниже. В конечной системе это означает, что при изменении частоты дискретизации будет меньше необходимость перекалибровать смещение системы и устранять ошибки усиления. поскольку при данной схемотехнике непосредственно сами ошибки смещения и усиления менее чувствительны к изменениям частоты дискретизации АЦП.

Преимущества в себестоимости конечного решения
Одно из основных преимуществ рассмотренных простых в использовании функций связано с общей стоимостью производства и эксплуатации. Перечисленные преимущества в схемотехническом исполнении и производительности приводят к потенциально более низкой стоимости разработки и уменьшению последующих эксплуатационных расходов. Это обеспечивается следующими факторами:
• более простая схема позволяет сократить время разработки и ускорить выпуск первого прототипа;
• более простая схема увеличивает шансы на успешное создание рабочего прототипа с первого раза;
• благодаря функции, облегчающей согласование сигнала, можно использовать меньшую полосу пропускания и, следовательно, более дешевые усилители;
• преимущества, связанные с регулировкой смещения и усиления, делают заводскую калибровку необязательной;
• улучшенные характеристики снижают вероятность калибровки в полевых условиях или калибровки по требованию, что приводит к сокращению времени простоя и/или повышению пропускной способности конечного оборудования.

Реальные примеры использования АЦП AD7768-1
В таблице 2 приведены отдельные измеренные данные, указанные в руководстве [10], которые помогут разработчикам выбрать подходящий усилитель на роль драйвера АЦП AD7768-1 [8]. Примеры в таблице показывают, что при использовании функции предварительной зарядки на некоторых усилителях возможны значительные улучшения. В частности, причина улучшения THD обусловлена сочетанием ранее упомянутых эффектов уменьшенной нагрузки входа АЦП, возлагаемой на схему драйвера. Например, конфигурация с использованием усилителя ADA4945-1 [12] при включении схемы предварительной зарядки обеспечивает улучшение THD на 4 дБ. Точно так же схема на основе ADA4807-2 [13] может достичь увеличения THD на 18 дБ. Эти примеры подтверждают, что усилители, имеющие приемлемую производительность, могут достигать общих уровней производительности и при использовании в сочетании с простыми
в управлении функциями, доступными во многих новейших АЦП компании Analog Devices.

Масштабирование сигнала с помощью операционного усилителя

   Для измерения аналоговых величин в цифровых системах используются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП характеризуются такими параметрами как диапазон входных напряжений и разрядность. Конечно, это не единственные его параметры, но сейчас нас интересуют именно они. 
   Диапазон входных напряжений зависит от опорного напряжения АЦП и определяет границы, в пределах которых аналоговый сигнал может быть оцифрован. Разрядность АЦП определяет шаг, с которым выполняется преобразование одной выборки аналогового сигнала.
Довольно часто возникает ситуация, когда диапазон входного измеряемого напряжения, не соответствует входному диапазону АЦП. Если он больше, АЦП не сможет измерить его значения за пределами своей шкалы, если меньше, то АЦП по сути будет работать в узком диапазоне и разрешение измеряемого напряжения будет низким.
   Чтобы избежать этой ситуации применяются масштабирующие схемы, которые «подгоняют» интересующий нас диапазон входных напряжений под диапазон АЦП.

   Первый вариант масштабирующей схемы представляет собой делитель напряжения с повторителем. Его можно применять, когда входное измеряемое напряжение превышает диапазон АЦП и его нужно просто поделить (1). Операционный усилитель выполняет здесь роль повторителя с большим входным и маленьким выходным сопротивлением. 

Выходное напряжение такой схемы вычисляется по формуле: 

Uвых = Uвх*R2/(R1 + R2)

Отсюда можно выразить сопротивления делителя и задавшись значением одного из резисторов, посчитать сопротивление второго резистора

R1 = R2*(1 — (Uвых/Uвх))/ (Uвых/Uвх)

Пример:

Диапазон входных напряжений 0 — 4 В
Шкала АЦП 0 — 2.56 В

Uвых/Uвх = R2/(R1 + R2)
Uвых/Uвх = 2.56/4 = 0.64

Допустим значение R2 = 10 кОм, тогда

R1 = (R2 — 0.64*R2)/0.64 = (10 — 6.4)/0.64 = 5.625 кОм

Выбираем ближайшее значение из ряда E24 — 5.6 кОм.

   Значения резисторов не следует выбирать слишком маленькими (до кОм), чтобы не нагружать выход операционного усилителя, и чтобы его выходное сопротивление не вносило лепту в резистивный делитель. Также не следует брать их слишком большими — несколько МОм.

   Второй вариант масштабирующей схемы — это неинвертирующий усилитель на операционном усилителе. Такая схема подойдет, если входной сигнал меньше диапазона АЦП и его нужно просто умножить.

   Входное и выходное напряжение в данной схеме связаны соотношением:

Uвых = Uвх*(1+R1/R2)

Как видно из формулы, коэффициент усиления данной схемы не может быть меньше 1.
Задавшись одним из сопротивлений, можно рассчитать значение второго резистора:

R1 = R2*(Uвых/Uвх — 1)

Пример:

Диапазон входных напряжений 0 — 2 В
Шкала АЦП 0 — 5 В

Uвых/Uвх = 5/2 = 2.5
R1 = R2*(2.5 — 1)

Допустим R2 = 10 кОм, тогда R1 = 10 * (2.5 — 1) = 15 кОм

Значения резисторов не следует выбирать слишком маленькими (до кОм), по описанным выше причинам.

   И третий вариант масштабирующей схемы на операционном усилителе выполняет усиление сигнала и смещает его. Схему следует применять, когда интересующий нас диапазон входного сигнала начинается не с нуля и его нужно «растянуть» на всю шкалу АЦП.

 

 
   Входное и выходное напряжение в данной схеме связаны следующим соотношением:

Uвых = Uвх*(1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1

где Uвх*(1 + R3/R2 + R3/R1) — усиление входного сигнала,
а Vcc*R3/R1 — смещение.

   Чтобы найти значения резисторов из этого выражения, нужно задаться одним из резисторов и решить систему из двух уравнений. Одно уравнение — это соотношение для случая максимального значения входного/выходного сигнала, второе — для случая минимального значения входного/выходного сигнала.

Uвых_макс = Uвх_макс * (1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1
Uвых_мин = Uвх_мин * (1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1

   Я предпочитаю использовать для таких расчетов Маткад. Вот файл для расчета схемы масштабирующего усилителя. Версия Маткада — 14.

Пример:

Диапазон входных напряжений 2 — 4 В
Шкала АЦП 0 — 5 В
Напряжение питания Vcc 10 В

Уравнения будут выглядеть так:

5 = 4 * (1 + R3/R2 + R3/R1) — 10 *R3/R1
0 = 2 * (1 + R3/R2 + R3/R1) — 10 *R3/R1

Решение на Маткаде.

   Напряжения заданы в В, сопротивления в кОм. Значение резистора R3 задаем перед расчетом равным 100 кОм, а для резисторов R1, R2 указаны начальные значения. Расчетные значения получились 200 и 100 кОм. 

   Коэффициент усиления данной схемы > 1 и смещение > 0. Что это значит для нас в практическом плане? С помощью этой схемы нельзя просто сместить сигнал без усиления и также нельзя просто усилить сигнал без смещения. Для получения «универсальной»схемы, способной работать с тремя описанными случаями, можно объединить две схемы.
   Не устанавливая R1, R5, а R2 взяв номиналом 0 Ом, мы получим первую схему. Не устанавливая R4 и R1 — вторую. Не устанавливая R4 — третью.

 

   Ну и на последок пару слов о выборе операционного усилителя. Если амплитуда входного или выходного сигнала близка к значениям питающего напряжения ОУ, используйте усилитель типа Rail-To-Rail. В противном случай усилитель будет входить в насыщение и искажать сигнал. 

дифференциальный драйвер АЦП, буфер и неинвертирующий усилитель с фильтром нижних частот

спросил
1 год, 10 месяцев назад

Изменено
1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено
153 раза

\$\начало группы\$

Я разрабатываю драйвер АЦП (20-разрядный дифференциальный АЦП) с диапазоном входного сигнала от 0 до 10 кГц, частотой дискретизации 1 Мвыб/с и 1 младшим битом 47 мкВ. Я выбираю скорость 1Msps для коэффициента передискретизации 10.

Ссылаясь на мой краткий набросок (показывающий только одну сторону драйвера для биполярного АЦП), конфигурация буфера, очевидно, самая простая, но полоса пропускания операционного усилителя 90 МГц означает, что на выходе операционного усилителя присутствует шум полной полосы пропускания. Однако при входном шуме операционного усилителя 5 нВ/кв.м (Гц) и использовании дополнительного RC-фильтра на входе АЦП (f-3 дБ ~= 2,5 МГц) общий расчетный шум значительно ниже 1 LSB или около 12 мкВ

вторая настройка, с фильтром LP 10 кГц, общий расчетный шум составляет <1 мкВ. Все компоненты, включая конденсатор, согласованы с 0,1%

Действительно ли у меня есть преимущества меньшего шума со второй установкой, или я просто прошу больше проблем с большим количеством компонентов на печатной плате вокруг операционного усилителя с возможными токами утечки и перекрестными помехами с другими проводящими дорожками, а не для упомянуть, что любое несоответствие между компонентами уменьшит CMRR АЦП?

• АЦП
• драйвер

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Первая установка будет иметь намного больше шума, потому что полюс фильтра установлен на ~5 МГц (я не могу прочитать это, его отсечка, но я предполагаю, что 100 Ом и 330 пФ) и вклад шума от операционного усилителя (который имеет ~5 нВ/кв. м (Гц)), вторая установка имеет коэффициент усиления 2,5 и полосу пропускания 10 кГц.

Расчет операционного усилителя для белого шума:

Белый шум операционного усилителя * sqrt(BW аналоговой системы) = шум в Vrms белый шум операционного усилителя будет:

5 нВ/кв.кв.(Гц)*кв.кв.(5МГц)= 11мкВср.кв. Таким образом, уровень шума также будет примерно 1,25 мкВ (среднеквадратичное значение)

Одно практическое правило проектирования аналоговых систем позволяет минимизировать полосу пропускания системы и поддерживать эту полосу пропускания для АЦП.

\$\конечная группа\$

4

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Увеличьте производительность вашего драйвера сигма-дельта АЦП

Конструкция каскада усилителя состоит из двух разных каскадов, связанных между собой, поэтому проблема становится сложной для математического моделирования, особенно из-за нелинейности.

Вы когда-нибудь проверяли, сколько записей в Интернете для «проектного буфера для АЦП»? Может быть трудно найти то, что вы ищете среди более чем 4 миллионов ссылок. Вероятно, это не станет большим сюрпризом для большинства инженеров-проектировщиков систем сбора аналоговых и смешанных сигналов, поскольку разработка внешнего интерфейса для небуферизованного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) требует большого терпения и советов. Его часто рассматривают как форму искусства, прерогативу эксцентричных гуру, которые оттачивали свое ремесло на протяжении многих лет. Для непосвященных это разочаровывающая задача проб и ошибок. Большую часть времени разочарование становится раздражающим компаньоном из-за множества взаимосвязанных спецификаций, которые вынуждают идти на множество компромиссов (и оценок) до тех пор, пока не будут достигнуты оптимальные результаты.

Проблема

Конструкция каскада усилителя состоит из двух связанных между собой каскадов, поэтому проблема становится сложной для математического моделирования, особенно из-за нелинейности, связанной с обоими каскадами. Первым шагом является выбор усилителя, который будет буферизовать выход датчика и управлять входами АЦП. Второй шаг заключается в разработке фильтра нижних частот для уменьшения входной полосы пропускания, что минимизирует внеполосный шум.

Идеальный усилитель обеспечивает полосу пропускания, достаточную для правильной буферизации сигнала, генерируемого датчиком или преобразователем, без добавления дополнительных шумов и с нулевым энергопотреблением, но идеальный усилитель далек от реального усилителя. В большинстве случаев характеристики усилителя будут определять общую производительность системы, особенно с точки зрения шума, искажений и мощности. Чтобы получить более полное представление о проблеме, первым делом нужно понять, как работает АЦП с дискретным временем.

АЦП дискретного времени получает выборку аналогового сигнала непрерывного времени, который затем преобразуется в цифровой код. При дискретизации сигнала, в зависимости от типа аналогового преобразователя, возможны два разных сценария с одной и той же проблемой.

АЦП последовательного приближения включают в себя функцию выборки и хранения, также известную как отслеживание и хранение, которая по сути представляет собой переключатель и конденсатор, фиксирующие аналоговый сигнал до завершения преобразования, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема схемы выборки и хранения.

Дискретные Σ-Δ АЦП, или преобразователи передискретизации, реализуют аналогичный входной каскад, то есть входной переключатель с некоторой внутренней емкостью. В случае Σ-Δ АЦП механизм дискретизации немного отличается, но имеет место аналогичная входная архитектура дискретизации, где переключатели и конденсаторы используются для хранения копии аналогового входного сигнала.

В обоих случаях переключатель реализован в КМОП-процессе с ненулевым значением сопротивления в замкнутом состоянии, обычно несколько Ом. Комбинация этого последовательного сопротивления с конденсатором выборки в диапазоне пФ означает, что входная полоса пропускания АЦП часто бывает очень большой и во многих случаях намного больше, чем частота дискретизации АЦП.

Проблема с пропускной способностью

Полоса пропускания входного сигнала является проблемой для преобразователя. В теории дискретизации мы знаем, что частоты выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации АЦП) должны быть удалены, иначе эти частоты будут генерировать изображения или псевдонимы в интересующей полосе частот. Шум, как правило, имеет спектр, в котором значительное количество мощности может существовать в полосе частот выше частоты Найквиста АЦП. Если мы не справимся с этим шумом, он будет ниже частоты Найквиста и добавит к минимальному шуму, как показано на рис. 2, эффективно уменьшая динамический диапазон системы.

Рис. 2. Складывающиеся изображения Найквиста.

Ширина полосы входного сигнала АЦП и, как следствие, ширина полосы выходного сигнала буфера представляют собой первую проблему, которую необходимо решить. Чтобы шум не уменьшался, полоса пропускания входного сигнала АЦП должна быть ограничена. Это не тривиальная проблема.

Как правило, усилитель выбирается на основе характеристик широкой полосы пропускания сигнала, т. е. скорости нарастания, и произведения коэффициента усиления на полосу пропускания, чтобы охватить наихудшие условия для нашего входного сигнала, что определяет более быстрое событие, которое может отслеживать наш АЦП.

Однако эффективная шумовая полоса усилителя эквивалентна ширине полосы малого сигнала (обычно считается для сигналов менее 10 мВ размах), и часто она как минимум в четыре-пять раз превышает ширину полосы большого сигнала.

Другими словами, если наши технические характеристики большого сигнала выбраны для 500 кГц, полоса пропускания малого сигнала легко может составить 2 МГц или 3 МГц, потенциально допуская много шума, дискретизированного АЦП. Следовательно, малая полоса пропускания сигнала должна быть ограничена извне перед подачей аналогового сигнала в АЦП, иначе измеренный шум будет в три-четыре раза превышать технические характеристики АЦП, что нехорошо.

Рис. 3. Конфигурация неинвертирующего усилителя.

Шум усилителя, относящийся к выходу, RTO

T – температура в Кельвинах. Помните, что тепловой шум, создаваемый усилителем, зависит от коэффициента усиления усилителя и общей полосы пропускания системы. Пример схемы показан на рис. 3, а источники шума суммированы, где:

кОм — постоянная Больцмана (1,38 × 10–23 Дж/К), номиналы резисторов выражены в Ом, а полоса пропускания относится к малой ширине полосы сигнала.

Предыдущие уравнения ясно показывают важность добавления фильтра нижних частот с достаточным затуханием перед входным выводом АЦП, чтобы свести к минимуму дискретизированный шум, поскольку шум пропорционален квадратному корню из полосы пропускания. Как правило, фильтр нижних частот первого порядка, реализованный на дискретном резисторе и конденсаторе, с достаточно низкой частотой среза устраняет большую часть широкополосного шума. Фильтр нижних частот первого порядка имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении амплитуды любых других больших сигналов за пределами интересующей полосы до того, как они будут оцифрованы и, возможно, сглажены АЦП.

Однако это еще не все. Внутреннее сопротивление переключателя АЦП и конденсатор определяют полосу пропускания аналогового входа, но также создают цикл заряда-разряда во временной области из-за различных входных сигналов. Каждый раз, когда переключатель (внешняя схема, подключенная к конденсатору выборки АЦП) замыкается, напряжение на внутреннем конденсаторе может отличаться от напряжения, ранее хранившегося на конденсаторе выборки.

В чем проблема с отдачей?

Классический аналоговый вопрос: «Если у вас есть два конденсатора, подключенных параллельно к переключателю, переключатель разомкнут и один конденсатор накапливает некоторую энергию, то что происходит с обоими конденсаторами, когда переключатель замкнут?»

Ответ зависит от энергии, запасенной заряженным конденсатором, и соотношения между конденсаторами. Например, если оба конденсатора имеют одинаковую емкость, энергия будет разделена между ними, а напряжение, измеренное между клеммами конденсатора, уменьшится вдвое, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Заряженный (слева) и незаряженный (справа) конденсаторы.

Проблема с отдачей.

Некоторые АЦП выполняют внутреннюю калибровку для компенсации внутренних ошибок, известную как автоматическая калибровка нуля. Эти процедуры приводят конденсатор выборки к напряжению, близкому к номинальному, или к другому напряжению, например к опорному напряжению, деленному на два.

Это означает, что внешний сигнал, буферизованный усилителем и конденсатором выборки, который должен содержать аналоговое значение для получения свежей выборки, очень часто имеют разный потенциал (напряжение). Следовательно, конденсатор выборки должен быть заряжен или разряжен, чтобы привести его к тому же потенциалу, что и выход буфера. Энергия, необходимая для этого процесса, будет поступать от внешнего конденсатора (от RC-фильтра нижних частот) и внешнего буфера. Это перераспределение заряда и установление напряжения займет конечное время, в течение которого напряжение, наблюдаемое в различных точках цепи, будет нарушено, как показано на рисунке 1. Часто может быть значительное количество заряда. перераспределяется, что эквивалентно току, протекающему к или от усилителя и к конденсаторам.

Следствием этого является то, что усилитель должен иметь возможность заряжать/разряжать внешний конденсатор фильтра нижних частот и конденсатор дискретизации АЦП за очень ограниченное время с ограничителем тока, добавленным резистором фильтра нижних частот.

Говоря более конкретно, усилитель должен иметь возможность заряжать/разряжать конденсаторы в пределах заданной погрешности от конденсатора выборки и внешних источников. Частота среза внешнего фильтра нижних частот должна быть немного выше интересующей полосы, которая определяется постоянной времени фильтра, количеством битов АЦП и наихудшим переходом между выборками — то есть наихудший входной шаг, который мы должны точно измерить.

Как решить проблему отката?

Проще всего решить эту проблему, выбрав усилитель с достаточной скоростью нарастания, произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, коэффициентом усиления без обратной связи и CMRR, и поместив на выходе самый большой конденсатор, какой только можно найти на рынке, с малым резистором. достаточно для удовлетворения требований к полосе пропускания фильтра нижних частот.

Поскольку конденсатор действительно большой, проблема отдачи будет незначительной, а полоса пропускания ограничена фильтром LP, так что проблема решена, верно?

Плохие новости. Предыдущее решение не сработает, но если вам любопытно и вы попробуете предыдущую настройку, то обнаружите две вещи: конденсатор будет размером с контейнер из-под сгущенного молока, и усилителю не понравятся воображаемые импедансы, подключенные на выход.

Производительность усилителя зависит от мнимой нагрузки, воспринимаемой усилителем. В этом случае штрафом фильтра нижних частот является ухудшение коэффициента нелинейных искажений и времени установления. Увеличение времени установления привело бы к тому, что усилитель стал бы не в состоянии заряжать конденсаторы, так что напряжение выборки АЦП было бы правильным конечным напряжением. Это привело бы к дополнительной нелинейности на выходе АЦП.

Чтобы проиллюстрировать предыдущее утверждение, на рис. 5 показана разница в производительности между различными выходными токами усилителей или резистивными нагрузками. На рис. 6 показаны небольшие выбросы сигнала из-за емкостной нагрузки, которые влияют на время установления и линейность.

Рис. 5. Характеристики THD AD4896-2 в зависимости от нагрузки.

Рис. 6. Зависимость характеристики передачи слабого сигнала ADA4896-2 от нагрузки.

Чтобы свести к минимуму эту проблему, выход усилителя должен быть изолирован от внешнего конденсатора последовательным резистором фильтра нижних частот.

Резистор должен быть достаточно высоким, чтобы гарантировать, что буфер не увидит мнимый импеданс, но достаточно мал, чтобы удовлетворить требуемой пропускной способности входной системы и свести к минимуму падение IR на резисторе из-за тока, протекающего из буфера, который может привести к падению напряжения, которое может недостаточно быстро компенсироваться усилителем. Параллельно резистор должен позволять внешнему конденсатору уменьшаться до значения, достаточно малого, чтобы минимизировать отдачу, не влияя на урегулирование.

Дополнительную информацию можно найти здесь.

К счастью для нас, есть инструменты, которые позволяют прогнозировать общую производительность ЦАП, усилителя и фильтра, например Precision ADC Driver Tool.

Инструмент может имитировать отдачу, а также шум и искажения, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Моделирование игровой площадки Precision ADC Driver Tool.

Полезное правило для фильтров нижних частот

Обычно во многих рекомендациях встречается фильтр нижних частот первого порядка, но почему никто не использует фильтр более высокого порядка? Если ваше устройство не будет использоваться в приложении с особыми требованиями по удалению более сильных внеполосных помех или гармоник во входном сигнале, увеличение порядка фильтра добавит дополнительный уровень сложности вашей системе. В общем, компромисс заключается в том, чтобы оставить полосу пропускания малого сигнала немного выше, чем вам нужно, что повлияет на шум за счет возможности легко управлять входным каскадом АЦП — и снизить мощность и стоимость — из-за усилителей. .

Уменьшение нагрузки

Ранее мы упоминали, что усилитель не любит мнимый импеданс и/или выдает большие токи, и это элемент, добавляемый конденсатором, который необходим для минимизации проблемы отдачи.

Единственный способ исправить ситуацию — уменьшить саму отдачу. Это решение было принято последними преобразователями ADI, такими как AD7768 и AD4000.

Решения, принятые в каждом из устройств, различаются из-за различной архитектуры преобразователя. АЦП AD4000 SAR может работать при питании ниже диапазона аналогового входа. Принятое решение называется режимом high-Z и доступно только для частот дискретизации ниже 100 кГц.

В AD7768 питание равно или превышает диапазон аналогового входа. Решение, принятое в AD7768, называется буфером предварительной зарядки, и, в отличие от режима с высоким Z, он работает до максимальной частоты дискретизации АЦП.

Оба решения основаны на одном и том же принципе работы; основная трудность управления АЦП связана с перераспределением емкостного заряда. Другими словами, чем меньше падение напряжения на входном буфере и фильтре нижних частот, когда внутренний переключатель повторно подключает конденсатор выборки, тем ниже скачок напряжения, что минимизирует входной ток АЦП. Следовательно, чем проще управлять АЦП, тем больше сокращается время установления. Падение напряжения на сопротивлении фильтра уменьшается, поэтому производительность по переменному току повышается.

Влияние входного тока на буфер предварительной зарядки, а также включение и выключение высокого Z можно увидеть на рисунке 8.

Рисунок 8. Входной ток.

Чем выше входной ток, тем выше (то есть быстрее) должна быть полоса пропускания усилителя. Следовательно, чем выше должна быть полоса пропускания входного фильтра нижних частот, а это также влияет на шум.

Например, использование SINAD учитывает гармоники как характеристики шума для входного сигнала частотой 1 кГц, дискретизированного с частотой дискретизации 1 MSPS. При разных частотах среза фильтра мы получаем что-то похожее на рисунок 9..

Рис. 9. AD4003 SINAD в зависимости от входной полосы пропускания с режимом высокого Z и без него.

На предыдущем рисунке показано, что низкий входной ток (включен режим high-Z) снижает требования к частоте фильтра среза, а также IR падение значения сопротивления фильтра, повышая производительность АЦП по сравнению с точно такой же конфигурацией, но с высоким Режим Z выключен.

На рисунке 9 видно, что за счет увеличения частоты среза входного фильтра внешний усилитель может заряжать/разряжать конденсатор выборки быстрее за счет увеличения шума. Например, при включенном режиме high-Z шум на частоте 500 кГц меньше, чем на частоте 1,3 МГц. Следовательно, SINAD лучше работает при входной полосе пропускания 500 кГц. Кроме того, емкость, необходимая для фильтра нижних частот, уменьшается, что улучшает характеристики драйвера усилителя.

Преимущества схемотехники

Добавление этих более простых в управлении или снижающих нагрузку функций, реализованных в последних АЦП ADI, оказывает существенное влияние на общую сигнальную цепочку. Ключевое преимущество, которое имеет разработчик АЦП, заключающееся в переносе некоторых проблем возбуждения в сам кремний АЦП, заключается в том, что решение может быть разработано таким образом, чтобы максимально эффективно соответствовать требованиям сигнала этого АЦП, тем самым решая несколько проблем, включая входную полосу пропускания и стабильность усилителя.

Уменьшение тока на входе АЦП и, следовательно, уменьшение отдачи означает, что усилитель имеет более низкий шаг напряжения, но при этом имеет тот же полный период выборки, что и стандартный вход с переключаемым конденсатором.

Наличие меньшего ступенчатого напряжения для установления (линейное изменение до конечного значения) в течение заданного периода равносильно более длительному периоду для установления большего шага. Чистый эффект заключается в том, что усилителю теперь не требуется такая широкая полоса пропускания, чтобы в достаточной степени установить входной сигнал на одно и то же конечное значение. Уменьшенная полоса пропускания обычно означает более низкую мощность усилителя.

Еще один способ взглянуть на это — представить себе, как усилитель, полоса пропускания которого в обычном режиме не может быть достаточной для стабилизации входного сигнала данного АЦП, теперь может достичь достаточной настройки при включении буферов предварительной зарядки.

В примечаниях по применению ADI AN-1384 показаны характеристики, достижимые с рядом усилителей в сочетании с AD7768 в каждом из трех режимов мощности. Один из усилителей, показанных в этом документе, ADA4500-2, показывает, что он изо всех сил пытается установить вход AD7768 в режиме средней мощности (THD>-96 дБ), когда буферы предварительной зарядки не используются. Однако, когда буферы предварительной зарядки включены, производительность резко улучшается и превышает -110 дБ THD.

Поскольку ADA4500-2 является усилителем с полосой пропускания 10 МГц, а полоса пропускания, необходимая для установления AD7768 в данном режиме, составляет примерно 12 МГц, мы видим, что использование этого усилителя с более узкой полосой теперь стало возможным благодаря простоте использования. особенность привода. Таким образом, эти функции не только упрощают проектирование входной буферной цепи, но и дают больше свободы в выборе компонентов, чтобы не выходить за допустимые пределы мощности системы или тепловые ограничения.

Дополнительное преимущество уменьшения тока на аналоговом входе АЦП заключается в том, что теперь меньше тока протекает через последовательный резистор, который используется как часть входной RC-цепи.

Для традиционных входов АЦП относительно большой ток означал, что можно было использовать резисторы только с малым сопротивлением, иначе на этом резисторе возникнут большие падения напряжения. Большое падение напряжения здесь может привести к ошибкам усиления или ошибкам линейности в результате преобразования АЦП.

Однако использование резисторов меньшего номинала также имеет свои проблемы. Достижение той же полосы пропускания, что и у RC, с использованием меньшего резистора означает использование вместо этого большего конденсатора. Однако такая комбинация большого конденсатора и маленького резистора может привести к нестабильности буферного усилителя.

Уменьшенный ток при использовании функций простого управления означает, что можно использовать резисторы большего номинала, не влияя на производительность и обеспечивая стабильность системы.

Преимущества производительности схемы

Принимая во внимание то, что мы уже назвали преимуществами схемотехники, становится ясно, что существуют также преимущества производительности или возможности дальнейшего повышения производительности с использованием этих функций.

Упомянутое выше преимущество, заключающееся в возможности достижения более высоких характеристик при использовании усилителей с более узкой полосой пропускания, также можно использовать для увеличения производительности более оптимальных систем. Например, даже при хорошо установленном входном сигнале все еще может быть некоторое несоответствие между входами, поскольку происходит окончательное установление. Таким образом, включение буферов предварительной зарядки, например, будет означать, что это окончательное урегулирование будет намного меньше, поэтому тогда можно будет достичь высочайших уровней THD, где раньше это было бы невозможно.

Уменьшение тока, проходящего через последовательный резистор RC-цепи, также улучшает производительность. Также не только значительно снижается входной ток, но и почти не зависит от входного напряжения. Улучшение коэффициента нелинейных искажений может быть достигнуто, так как любые несоответствия резисторов на входной паре приведут к меньшей разности напряжений на входе АЦП, а также к тому, что падения напряжения не зависят от сигнала.

Меньший входной ток также влияет на точность смещения и усиления. Благодаря уменьшению абсолютного тока, а также уменьшению зависимых от сигнала изменений тока, меньше вероятность того, что изменение значений компонентов в каждом канале или на каждой физической плате приведет к большим различиям в ошибках смещения и усиления (для одного и того же причина, более низкий ток приводит к меньшим напряжениям на последовательных сопротивлениях). С помощью буферов предварительной зарядки можно добиться лучших характеристик абсолютного смещения и погрешности усиления, а также обеспечить стабильную производительность на всех платах или каналах в системе.

Существует еще одно преимущество более низкого тока в системах, в которых частота дискретизации АЦП изменяется для адаптации к различным потребностям сбора сигналов, например, в картах сбора данных. Без буферов предварительной зарядки падение напряжения на входных пассивных компонентах зависит от частоты дискретизации АЦП, поскольку входная крышка АЦП будет чаще заряжаться и разряжаться при более высоких частотах дискретизации. Это относится как к тракту аналогового ввода, так и к тракту опорного ввода, и это изменение напряжения воспринимается АЦП как зависящие от частоты дискретизации ошибки смещения и усиления.

Однако при включенных буферах предварительной зарядки абсолютный ток и, следовательно, абсолютное падение напряжения изначально намного меньше, поэтому изменение напряжения при изменении частоты дискретизации АЦП также будет намного меньше. В конечной системе это означает, что меньше требуется повторной калибровки системных ошибок смещения и усиления по мере настройки частоты дискретизации, и что ошибки смещения и усиления менее чувствительны к изменениям частоты дискретизации АЦП.

Экономическая выгода

Одно из основных преимуществ простых в использовании функций связано с общей стоимостью владения. Различные аспекты дизайна и преимущества производительности приводят к потенциально более низкой стоимости разработки и эксплуатации.

• Более простая конструкция означает меньше усилий при проектировании и более быстрое создание первого прототипа.
• Более простая конструкция означает больше шансов на успех с первого раза при разработке прототипа.
• Функция упрощения управления может позволить использовать более узкую полосу пропускания и, следовательно, более дешевые усилители.
• Преимущества смещения и усиления могут позволить уменьшить калибровку на заводе.
• Повышение производительности может позволить сократить количество калибровок в полевых условиях или по запросу, что приведет к сокращению времени простоя и/или повышению производительности.

Реальные примеры с использованием AD7768-1

В таблице 2 приведены некоторые измеренные данные из рекомендаций по применению AN-1384, которые помогают разработчикам выбрать подходящий усилитель для управления АЦП AD7768-1. Примеры в таблице показывают, что при включении функции предварительной зарядки на некоторых усилителях возможны значительные улучшения. Причина улучшения THD, в частности, связана с комбинацией ранее упомянутых эффектов снижения нагрузки, которую АЦП возлагает на схему привода. Например, конфигурация с использованием ADA49Усилитель 45-1 достигает улучшения THD на 4 дБ при включенных буферах предварительной зарядки. Точно так же схема ADA4807-2 может обеспечить увеличение THD на 18 дБ. Эти примеры показывают, что усилители, способные обеспечить приемлемую производительность сами по себе, могут достичь непревзойденного уровня производительности при использовании в сочетании с функциями простого управления, доступными во многих новейших АЦП ADI.

Таблица 2. Характеристики AD7768-1 с различными усилителями

Усилитель	Буфер предварительной зарядки	ОСШ (дБ)	КНИ (дБ)	SINAD (дБ)
АДА4940-1	Отключено	105,4	–114,5	105,0
АДА4940-1	Включено	105,2	–120,4	105.1
АДА4807-2	Отключено	105.1	–105,7	102,6
АДА4945-1	Отключено	105,9	–116,6	105,6
АДА4896-2	Отключено	106,7	–118,0	106,5
АДА4807-2	Включено	104,9	–123,7	104,8
АДА4945-1	Включено	106,0	–120,7	105,8
АДА4896-2	Включено	105,5	–130	106,4

Разработка схемы для управления небуферизованным АЦП — нетривиальная задача, требующая надлежащей методологии и компромиссных решений из-за отдачи преобразователя и требований к полосе пропускания.