Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №5

Выбор операционных усилителей с высокой разрешающей способностью

Арш Владимир


Несмотря на то что современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) имеют входное сопротивление не менее нескольких сотен Ом, им все же обычно требуются входные буферные усилители (драйверы АЦП). Дело в том, что подключение источника с высоким выходным сопротивлением к входу преобразователя вызывает ошибку коэффициента передачи. драйвер АЦП - это высокоточный операционный усилитель, который имеет входное сопротивление несколько Мом. Он также должен обеспечить входное масштабирование сигнала и его низкочастотную фильтрацию с целью уменьшения шумов в системи.

Для обеспечения высокой точности системы такие характеристики драйвера АЦП, как время установления, уровень шумов и нелинейных искажений (THD), должны быть значительно лучше, чем имеет АЦП. Разработка драйвера для 16 или 18-разрядных систем является серьезным испытанием для разработчика.

Время установления

Для работы на максимальной частоте дискретизации АЦП время установления сигнала комбинации операционный усилитель/АЦП до уровня меньше 1 младшего разряда от полной шкалы должно быть не более суммарного времени выборки и преобразования АЦП. Это время должно быть близко к 1 мкс при использовании 16-разрядного 1 Msps АЦП или чуть меньше 1,25 мкс для 18-разрядного 800 Ksps АЦП.

К сожалению, большинство спецификаций операционных усилителей определяют время установления сигнала на уровне 0,1 или 0,01% от полного размаха выходного сигнала, а не 0,0015%, которое треб ется для обеспечения 16-разрядной точности. Таким образом,фактическое время установления, соответствующее 16-разрядной точности, обычно б дет более длительным,чем указано в спецификации.

Шум

Шум драйвера АЦП должен быть настолько низким, насколько это возможно, чтобы сохранить отношение «сигнал — шум » и уровень шума перехода разряд/разряд 16-разрядного АЦП. В состав некоторых АЦП входит внутренний входной делитель. В этом случае сама входная схема АЦП производит фильтрацию шума.

Отношение «сигнал — шум» при включении на вход АЦП усилителя:

где:

N ADC =среднеквадратический шум АЦП (мкВ);
f –3dB =исходная полоса пропускания АЦП (МГц) (или частота среза входного фильтра АЦП,если он используется)по уровню –3 дБ;
N =коэффициент усиления шумов (1,если б фер);
EN =эквивалентное напряжение входных шумов операционных усилителей (нВ/vГц);
FSR =полный диапазон входного сигнала АЦП, то есть 5 В для сигнала ±2,5В.

Рассмотрим 16-разрядный АЦП, на вход которого подключен операционный усилитель с низким уровнем шумов. Уровень шумов АЦП — 28 мкВ (скз), полоса пропускания — 9,6 МГц, а диапазон входного сигнала 0 –5 В. Эквивалентный входной шум операционного усилителя с единичным коэффициентом передачи — 2 нВ//vГц, при этом отношение «сигнал — шум » АЦП ухудшается всего на 0,08 дБ.

Искажения

Вход собственно преобразователя обычно нуждается в б ферном усилителе с низким выходным сопротивления на входе АЦП. Аналогично выходное сопротивление буфера АЦП также должно быть достаточно низким. Высокое выходное сопротивление источника сигнала увеличивает THD, так как входной импеданс АЦП обычно имеет небольшую нелинейную входную емкость, таким образом, THD ухудшается пропорционально увеличению сопротивления источника сигнала. Поэтому максимальное сопротивление, которое может быть подключено к входу АЦП,зависит от максимально допустимой величины THD. Значение THD драйвера АЦП должно быть значительно ниже чем у АЦП, то есть должно быть меньше, чем величина младшего значащего разряда, и для комбинации операционный усилитель/АЦП 16-разрядной точности — обычно не хуже –100 дБ. На рис.1 показана зависимость THD от входного уровня сигнала комбинации буфер/АЦП.

Асимметричная схема драйвера 16-разрядного АЦП

На рис.2 показана схема окончания 16-разрядной системы сбора данных, состоящей из АЦП и драйвера (U1), который включен как повторитель. В ней входной сигнал буферизуется, чем обеспечивается высокое входное сопротивление при низком уровне шумов. Высокое входное сопротивление буфера позволяет включить мультиплексор или пассивный фильтр на его вход. 50-омный резистор обратной связи предотвращает звон операционного усилителя. Дополнительный низкочастотный фильтр, стоящий непосредственно перед входом АЦП, состоит из 15-омного резистора и конденсатора емкостью 2,7 нФ. Он уменьшает шумовую полосу пропускания операционного усилителя и служит сглаживающим фильтром.

16-разрядная система сбора данных с асимметричным входом

ИОН обеспечивает опорное напряжение с низким температурным коэффициентом. Поскольку работа АЦП основана на принципе перераспределении заряда, необходимо должным образом зашунтировать его вход, чтобы уменьшить воздействие внутренних выбросов тока.

Дифференциальная схема драйвера 16-разрядного АЦП

Некоторые 16-разрядные АЦП могут работать непосредственно с дифференциальными входными напряжениями. Использование истинного дифференциального входа всегда позволяет получить наиболее возможный низкий системный шум и поэтому обеспечивает самую высокую разрешающую способность.

Схема,приведенная на рис.3, позволяет подключить синфазный сигнал к дифференциальному входу аналого-цифрового преобразователя.

Эта схема использует два операционных усилителя. U1 функционирует в качестве буфера с единичным коэффициентом передачи и подает сигнал на вход +IN АЦП. Кроме того, выход U1 также подключен на вход второго операционного усилителя U2, который инвертирует сигнал и подает его на вход –IN АЦП. U2 усиливает шумы в два раза, уровень которых получается все еще достаточно низким, чтобы при этом не ухудшить THD. Выход ИОН подключен к неинвертирующему входу U2 через делитель напряжения (2:1). Это обеспечивает необходимое смещение ±2,5 В дифференциального входного сигнала на середину шкалы. Напряжение смещения равно 1,25 В.

Во время выборки для сигналов переменного тока АЦП ведет себя подобно однополюсному RC-фильтру. Фильтр состоит из внутренних входных резисторов АЦП R+и R – и внутренней емкости C S — конденсатора устройства выборки-хранения. Он уменьшает нежелательные искажения и ограничивает входной шум. Резисторы (типично 168 Ом)и конденсатор (типично 60 пФ) определяют частоту среза фильтра 15,8 МГц по уровню –3 дБ.

Операционный усилитель с внешней компинсацией

Почти все операционные усилители используют внутреннюю частотную компенсацию. Обычно это внутренний конденсатор, который обеспечивает отрицательную обратную связь по напряжению, формируя низкочастотный однополюсный фильтр. Поскольку большинство операционных усилителей предназначено для работы в широком диапазоне коэффициентов усиления, то внутренний кончтобы гарантировать, что усилитель будет всегда устойчив. Из-за того, что конденсатор обычно рассчитан только на работу при коэффициенте усиления, равном единице, или на минимальном заданном коэффициенте для конкретного операционного усилителя, то он слишком велик в тех случаях, когда усилитель работает на более высоких коэффициентах усиления. Это обстоятельство объясняет факт, почему операционный усилитель с внутренне компенсированной обратной связью по напряжению имеют обычно фиксированное отношение «полоса пропускания — коэффициент усиления ».

Например, если обычный операционный усилитель с внутренней компенсацией при работе с единичным коэффициентом усиления имеет полосу пропускания 200 МГц по уровню –3 дБ, то полоса пропускания при усилении 10 будет только ~20 МГц. Однако если бы тот же самый операционный усилитель использовал конденсатор компенсации меньшей емкости, то эта емкость, возможно, обеспечила бы полную полосу пропускания при более высоком коэффициенте усиления, но недостаточная емкость этого конденсатора может вызвать нестабильность работы или возбуждение операционного усилителя при работе на более низких коэффициентах усиления. Так, ради необходимости обеспечить стабильность при работе на низких коэффициентах усиления приносится в жертву пропускная способность и скорость нарастания при работе на более высоких коэффициентах усиления. Хотя так называемые операционный усилитель с токовой обратной связью обеспечивают большую полосу пропускания в широком диапазоне коэффициентов усиления, они обычно имеют более высокий уровень шумов, чем усилитель с обратной связью по напряжению. Кроме того, большим недостатком можно считать неравенство его входных сопротивлений.

AD8021 — операционный усилитель с внешней компенсацией, который хорошо решает дилемму отношения «коэффициент усиления — полоса пропускания ». Маленькая внутренняя емкость компенсации (приблизительно 1,5 пФ) обеспечивает стабильность при работе с коэффициентом усиления, равным или большим 10. Кроме этого присутствует вывод для подключения внешнего конденсатора компенсации, который позволяет подключить дополнительную внешнюю емкость для оптимизации работы при любом требуемом коэффициенте усиления или любой нагрузке.

Внешняя компенсация операционного усилителя позволяет оптимизировать работу в широкой полосе пропускания, с высокой скоростью нарастания и с низким шумом. Также может быть достигнут компромисс между требуемой полосой пропускания и емкостью нагрузки.

На рис.4 показана упрощенная схема AD8021.

Упрощенная схема операционного усилителя с внешней компенсацией AD8021

Входной каскад — дифференциальная пара транзисторов N-P-N, работающая при токах 1,6 мА. Этот уровень тока позволяет получить высокий входной импеданс при низких входных шумах (2,1нВ/vГц в полосе до 50 кГц). Внешний конденсатор компенсации включается между узлом с высоким выходным сопротивлением (вывод 5) и линией отрицательного питания. Выходной каскад имеет коэффициент усиления по току 5000, что обеспечивает высокое сопротивление на выводе 5 даже в том случае, когда усилитель работает на большую нагрузку. Два внутренних диода защищают входы (выводы 2 и 3) от больших выбросов входных напряжений, которые иначе могли бы вызвать повреждение эммиттерно-базового перехода и увеличить напряжение смещения ввода и входного тока смещения.

На рис.5 показан график зависимости коэффициента усиления и сдвига фазы от частоты AD8021 с разомкнутой обратной связью.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке