Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №11

Драйверы для АЦП на основе операционного усилителя компании Texas Instruments

Звонарев Евгений


Для достижения максимальной точности преобразования аналогового сигнала в цифровой код недостаточно только корректно выбрать аналого цифровой преобразователь, необходим еще и правильный выбор операционного усилителя для согласования динамических диапазонов источника сигнала (например, датчика) и входного каскада аналого-цифрового преобразователя.

Большинство современных АЦП обладают высоким входным сопротивлением, низкой входной емкостью, хорошей линейностью характеристик преобразования, но во многих случаях подключить источник сигнала к входу АЦП напрямую невозможно. Операционный усилитель — драйвер АЦП — решает эту проблему, осуществляя также дополнительное усиление сигнала и его фильтрацию при соответствующем включении для подавления шумов в высокочастотной области. Для достижения высокой точности устройства параметры драйвера должны быть существенно лучше, чем у АЦП. Речь идет о времени установления ОУ, нелинейных искажениях и шумовых характеристиках. Чем выше разрядность и быстродействие преобразователя, тем больше внимания приходится уделять выбору оптимального ОУ для драйвера АЦП. Основные моменты при выборе таких ОУ и их некоторые типовые характеристики показаны на рис. 1.

Основные характеристики ОУ, которые необходимо учитывать при выборе драйверов АЦП
Рис. 1. Основные характеристики ОУ, которые необходимо учитывать при выборе драйверов АЦП

Драйверы АЦП должны иметь достаточный динамический диапазон и быстродействие (время установления и скорость нарастания), обладать низкими гармоническими искажениями при усилении сигнала до необходимого значения. Из графиков на рис. 1 хорошо видно, что при более высоком входном сопротивлении АЦП проще обеспечить низкие значения гармонических искажений. RC-фильтр (в некоторых случаях используют фильтры на основе ОУ более высокого порядка) на выходе драйвера сокращает полосу частот до оптимальной величины, подавляя шумы за пределами рабочего частотного диапазона. На рис. 1 RC-фильтр показан в упрощенном виде. Конечно, в большинстве случаев применяются активные фильтры второго и более высоких порядков на основе ОУ для достижения крутого спада частотной характеристики и низкого выходного сопротивления.

Операционные усилители — драйверы АЦП — производители классифицируют для соответствующих быстродействия и разрядности аналого-цифровых преобразователей. Это не означает, что эти усилители рекомендуется использовать только в качестве драйверов АЦП. Конечно, их можно применять для многих других целей, например, для усиления сигнала и дальнейшей обработки аналоговыми схемами.

Драйверы АЦП для АЦП поразрядного уравновешивания (SAR АЦП) с частотой дискретизации до 250 ksps

В таблице 1 приведены основные параметры усилителей, рекомендуемых для работы с SAR АЦП (successive approximation ADC или АЦП поразрядного уравновешивания) с частотой отсчетов менее 250 ksps (sps — samples per second — количество отсчетов в секунду). SAR АЦП характеризуются высокими разрешением и точностью. Они отличаются низким потреблением и небольшим количеством внешних компонентов.

Таблица 1. Операционные усилители TI для SAR-АЦП (частота выборки <250 ksps)
Таблица 1. Операционные усилители TI для SAR-АЦП

Особого внимания заслуживает полный дифференциальный усилитель (с дифференциальными входом и выходом) THS4520, имеющий широкую полосу пропускания и высокую скорость нарастания напряжения. Время установления THS4520 при отклонении от установившегося значения 0,1% составляет всего 7 нс. Производитель отмечает низкие гармонические искажения этого ОУ в широкой полосе частот, а также низкий уровень шума (параметры приведены в таблице 1). Зависимости гармонических искажений для второй и третьей гармоник, взятые из документации производителя, приведены на рис. 2.

Зависимости гармонических искажений от частоты для THS4520
Рис. 2. Зависимости гармонических искажений от частоты для THS4520

Основные параметры THS4520:

  • дифференциальные вход и выход (Fully Differential Amplifier);
  • полоса пропускания: 620 МГц;
  • скорость нарастания напряжения: 570 В/мкс;
  • время установления при точности 0,1%: 7 нс;
  • шум, приведенный ко входу: 2 нВ/√Гц (f > 10 кГц);
  • напряжение питания: от 3,3 (±1,65 В) до 5 В (±2,5 В);
  • потребление в режиме Power-Down: 15 мкА.

Драйверы для АЦП с повышенным разрешением (Delta-Sigma АЦП)

Дельта-сигма (ΔΣ) АЦП отличаются высоким разрешением и широкой полосой пропускания. Основные параметры драйверов для ΔΣ АЦП с очень высоким разрешением сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Операционные усилители TI для дельта-сигма АЦП (с высоким разрешением)
Операционные усилители TI для дельта-сигма АЦП (с высоким разрешением)

В таблице 2 присутствует интересный усилитель – транслятор уровня INA159. Основное назначение INA159 — преобразование двуполярного сигала в однополярный, поэтому он и называется транслятором уровня. Сейчас существует очень много аналого-цифровых преобразователей с однополярным питанием, допускающих подачу на вход сигнала только положительной полярности, поэтому часто возникает необходимость переместить двуполярный сигнал в область только положительных значений. Иллюстрация работы INA159 приведена на рис. 3. На рис. 4 показана типовая схема включения этого ОУ. В документации производителя можно найти и другие варианты схем включения INA159 с разными коэффициентами передачи.

INA159. Зависимости диапазонов выходных напряжений от опорного напряжения при напряжении питания 5 В
Рис. 3. INA159. Зависимости диапазонов выходных напряжений от опорного напряжения при напряжении питания 5 В
INA159. Типовая схема включения для преобразования двуполярного входного сигнала в диапазон одной полярности
Рис. 4. INA159. Типовая схема включения для преобразования двуполярного входного сигнала в диапазон одной полярности

Например, при напряжении питания 5 В и опорном напряжении 2,5 В, подавая на вход INA159 напряжение от –10 до 10 В, получим на выходе напряжение в диапазоне от 0,5 до 4,5 В, что приемлемо для многих АЦП при питании 5 В. При меньших значениях опорного напряжения (это требуется при низковольтном питании) диапазоны изменения выходного напряжения изменяются. Конкретные значения приведены в таблице на рис. 3. Выходные параметры при других напряжениях питания и разных вариантах коммутации входов для опорного напряжения приведены в документации производителя.

Основные параметры INA159:

  • коэффициент передачи при входном сигнале ±10 В: 0,2 (возможны другие значения — см. документацию);
  • точность коэффициента передачи: ±0,024% (макс.);
  • полоса пропускания: 1,5 МГц;
  • скорость нарастания напряжения: 15 В/мкс;
  • напряжение смещения: ±100 мкВ;
  • дрейф напряжения смещения: ±1,5 мкВ/°С;
  • напряжения питания: 1,8–5,5 В.

Подробного рассмотрения заслуживают и новые малошумящие микромощные усилители с низковольтным питанием и нулевым дрейфом (Zero Drift) OPA333 (одиночный) и OPA2333 (сдвоенный). Они характеризуются отсутствием шумов напряжения и тока с зависимостью 1/f в области очень низких частот (рис. 5). Графики на рис. 5 взяты из документации производителя. Фликкер-шум или шум типа 1/f является неотъемлемым параметром любого активного прибора, но на основе современных технологий производства полупроводниковых приборов частоту излома характеристики такого шума можно сдвинуть в область низких частот, вплоть до единиц, десятых долей Гц. Тогда в реальном диапазоне частот этот шум не будет наблюдаться.

Спектральные плотности шумов напряжения и тока OPA333 и OPA2333
Рис. 5. Спектральные плотности шумов напряжения и тока OPA333 и OPA2333

Усилители OPA333 и OPA233 выполнены по схеме «чоппер» (Chopper) или усилитель с прерыванием. При частоте прерывания выше, чем 1/f частоты излома входного шума, усилитель, стабилизированный прерыванием, постоянно обнуляет 1/f шум на каждом такте. Теоретически, операционный усилитель с прерыванием не имеет 1/f шума. Однако прерывание вызывает появление широкополосного шума, который обычно гораздо выше шума прецизионного биполярного операционного усилителя.

Отсутствие шума с зависимостью 1/f можно добиться и с помощью схемы со структурой Auto-Zero. Отличия структур Chopper и Auto-Zero показаны на рис. 6. Из графиков на этом рисунке видно, что спектральная плотность шума для OPA333 и OPA2333 существенно меньше, чем у усилителей, выполненных по схеме Auto-Zero. Рассмотрение принципов работы усилителей Auto-Zero и Chopper потребует слишком много места в журнале (что достойно отдельной статьи на эту тему), поэтому заинтересованный читатель может найти подробное описание принципов действия таких усилителей в статье инженера Texas Instruments Томаса Кегельштадта “Auto-Zero amplifiers ease the design of high-precision circuits” («Усилители с прерыванием упрощают разработку высокоточных схем»).

Сравнение спектральных плотностей шума усилителей OPA333 (Chopper) и ОУ, выполненных по схеме Auto-Zero
Рис. 6. Сравнение спектральных плотностей шума усилителей OPA333 (Chopper) и ОУ, выполненных по схеме Auto-Zero

Основные параметры OPA333 (OPA2333):

  • сверхнизкое напряжение смещения: 10 мкВ (макс.);
  • дрейф напряжения смещения: 0,05 мкВ/°С (макс.);
  • напряжение шума в диапазоне частот 0,01–10 Гц: 1,1 мкВ (от пика до пика);
  • напряжения питания: 1,8–5,5 В;
  • Rail-to-Rail вход/выход;
  • собственный ток потребления 17 мкА;
  • миниатюрные корпуса SC70 и SOT23.

В статье по применению с сайта Texas Instruments “New zero-drift amplifier has an IQ of 17 μA”, посвященной операционному усилителю OPA333, приведена таблица для сравнения характеристик OPA333 с близкими усилителями этого класса. Основные параметры этих ОУ сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Сравнение основных параметров OPA333 с аналогичными ОУ других производителей
Сравнение основных параметров OPA333 с аналогичными ОУ других производителей

Каждый из усилителей в таблице 3 имеет свои сильные и слабые стороны, но качество каждого прибора нужно оценивать по совокупности параметров. С другой стороны, для разработчика может быть наиболее важным один из конкретных параметров, тогда победителем в таблице 3 может оказаться любой из представленных в ней усилителей. Автор этой статьи по применению Томас Кегельштадт обращает внимание на параметры в нижней строке (отношение частоты единичного усиления к току потребления). По этому соотношению бесспорным лидером является новый операционный усилитель Texas Instruments OPA333 (OPA2333).

Драйверы для быстродействующих SAR АЦП с частотой дискретизации более 250 ksps

Для SAR АЦП повышенного быстродействия Texas Instruments предлагает выбрать усилители из таблицы 4. Интересно отметить, что новый ОУ THS4520 рекомендуется производителем еще и для использования совместно с SAR АЦП среднего быстродействия (табл. 1). Усилители OPA365 (одиночный) и OPA2365 (сдвоенный) заслуживают более детального рассмотрения. Они отличаются очень низким коэффициентом гармонических искажений (всего 0,0006%), что необходимо для достижения высокой линейности передаточной характеристики аналого-цифрового преобразования. Графики для сравнения параметров этих усилителей и аналогичных от других производителей показаны на рис. 7 (взяты из документации производителя).

Гармонические искажения и шумы OPA365 (OPA2365) и усилителей этого класса других производителей
Рис. 7. Гармонические искажения и шумы OPA365 (OPA2365) и усилителей этого класса других производителей
Таблица 4. Операционные усилители TI для быстродействующих SAR АЦП (>250 ksps)
Операционные усилители TI для быстродействующих SAR АЦП

Основные параметры OPA365 (OPA2365):

  • напряжение питания: 2,2–5,5 В;
  • низкое напряжение смещения: 200 мкВ;
  • полоса пропускания: 50 МГц;
  • КОСС: 100 дБ (минимальное значение);
  • высокая скорость нарастания: 25 В/мкс;
  • очень низкие гармонические искажения + шум: 0,0006%;
  • ток потребления: 5 мА (максимальное значение);
  • корпус SOT23-5.

Драйверы для АЦП очень высокого быстродействия

Наиболее высокой частотой дискретизации отличаются АЦП, выполненные по структурам Pipeline (конвейерные) и Flash (параллельные и самые быстрые). Параллельные АЦП отличаются чрезвычайно простой архитектурой и очень широкой полосой пропускания, но обладают очень высокой потребляемой мощностью, большим размером кристалла и высокой ценой. Конвейерные АЦП потребляют меньше энергии по сравнению с параллельными преобразователями, но частота дискретизации у них существенно ниже, чем у Flash АЦП. Рекомендуемые Texas Instruments ОУ— драйверы для самых скоростных АЦП — представлены в таблице 5.

Таблица 5. Операционные усилители TI для АЦП очень высокого быстродействия (Pipeline и Flash АЦП)
Операционные усилители TI для АЦП очень высокого быстродействия (Pipeline и Flash АЦП)

Обратите внимание, что новый операционный усилитель THS4520 попал в таблицу и для самых быстрых АЦП. Усилитель THS4520 — один из самых универсальных драйверов АЦП, так как он попал сразу в три таблицы из приведенных в этой статье. Он совместим по выводам со скоростными, полностью дифференциальными усилителями THS4508, THS4509, THS4511, THS4513.

OPA369 и OPA2369 — прецизионные усилители Zero-crossover с потреблением 1 мкА

Операционные усилители OPA369 (одиночный ОУ) и OPA2369 (сдвоенный) благодаря уникальной технологии Zero-crossover имеют нулевое изменение напряжения смещения при изменении синфазного напряжения на входе, что очень важно в низковольтных применениях с полной амплитудой входных сигналов (Rail-to-Rail). Низкое собственное потребление и миниатюрные корпуса делают эти усилители очень перспективными для разработки портативных приборов. Совместно с OPA369 Texas Instruments рекомендует использовать АЦП ADS1100 и микроконтроллеры с ультранизким потреблением MSP430.

Зависимости напряжений смещения OPA369 (OPA2369) и ОУ этого класса других производителей
Рис. 8. Зависимости напряжений смещения OPA369 (OPA2369) и ОУ этого класса других производителей

Основные параметры OPA369 и OPA2369:

  • технология Zero-crossover;
  • низкий ток потребления: 1 мкА;
  • низкое напряжение смещения: 750 мкВ (макс.);
  • низкие напряжения питания: 1,8–5,5 В;
  • низкий температурный дрейф напряжения смещения: 1,75 мкВ/°С;
  • корпуса SC70-5, SOT23-8, MSOP-8.

OPA376, OPA2376, OPA4376 — новые прецизионные малошумящие усилители e-Trim™

Texas Instruments нельзя пройти мимо прецизионных малошумящих усилителей, выполненных с использованием технологии e-Trim. Они отличаются очень низким напряжением смещения (не более 25 мкВ) при полосе пропускания 5,5 МГц, низкой спектральной плотностью шума 7,5 нВ/√Гц и собственным током потребления не более 950 мкА. В диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц напряжение шумов не превышает 0,8 мкВ от пика до пика. Усилители предназначены для работы от напряжения питания одной полярности в диапазоне 2,2–5,5 В. На рис. 9 показано распределение напряжения смещения OPA376 среди относительно большой выборки выпущенных приборов. На рис. 9 хорошо видно, что напряжение смещения большинства OPA376 (одиночных), OPA2376 (сдвоенных) и OPA4376 (счетверенных) не превышает 10 мкВ. Производитель приводит гистограмму, показанную на рис. 9, на первой странице документации для этих ОУ для того, чтобы разработчики учитывали, что большинство усилителей этой серии имеют напряжение смещения не более 10 мкВ. Эти микросхемы выпускаются в миниатюрных корпусах SC-70, SOT23, MSOP, TSSOP. Усилители предназначены для работы в портативной прецизионной аппаратуре.

Распределение напряжения смещения OPA376, OPA2376 и OPA4376 в выборке этих операционных усилителей
Рис. 9. Распределение напряжения смещения OPA376, OPA2376 и OPA4376 в выборке этих операционных усилителей

Заключение

Применение новых операционных усилителей и правильный их выбор позволяют достичь более высоких параметров аналоговых и аналогово-цифровых схем без усложнения схемотехнических решений разрабатываемых устройств.

При выборе операционного усилителя для любой цели необходимо оценивать его параметры в комплексе с другими характеристиками. Например, один ОУ лучше другого по напряжению смещения, но проигрывает ему по полосе пропускания и гармоническим искажениям (для конкретной разработки на первый план могут выйти другие параметры).

Для упрощения процесса выбора ОУ для драйверов АЦП можно воспользоваться рекомендациями производителя.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке