Схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с использованием дифференциального усилителя

Перевод глав руководства по АЦП от Texas Instruments. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи (впервые на русском языке).


Рисунок 23.



Описание решения
Схема, приведенная на рисунке 23, демонстрирует возможности управления дифференциальным АЦП c преобразованием биполярного несимметричного сигнала в однополярный полностью дифференциальный сигнал (для получения дополнительной информации об этих и других типах сигналов, обратитесь к обучающим материалам TI PrecisionLabs, раздел «Типы входных сигналов SAR АЦП»). По сравнению с несимметричными моделями, полностью дифференциальный АЦП имеет вдвое больший динамический диапазон, что улучшает характеристики преобразователя по переменному току. Многие системы, например, эхолоты, расходомеры и системы управления двигателями, выигрывают от более высокой производительности дифференциального АЦП. В зависимости от конкретных спецификаций и требований конечной системы, соответствующие формулы расчетов и алгоритм выбора компонентов для данной схемы могут варьироваться. Для получения дополнительной информации о подобных схемах, работающих с однополярным входным сигналом, читайте статью «Преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный для однополярных сигналов».



Рекомендуем обратить внимание
  1. Модель АЦП ADS7057 была выбрана исходя из ее пропускной способности (2,5 Мбит/с), размера (2,25 мм²) и малой задержки (архитектура АЦП последовательного приближения или SAR).
  2. Определите линейный диапазон дифференциального усилителя (драйвера АЦП) на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе о выборе компонентов.
  3. Определите линейный диапазон операционного усилителя (предварительное формирование сигнала) на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе о выборе компонентов.
  4. Чтобы минимизировать искажения, в качестве Cfilt рекомендуется использовать конденсатор типа COG (NPO).
  5. Для получения наилучших характеристик и уменьшения искажения рекомендуется использовать пленочные резисторы 0,1% 20ppm/°C или выше.
  6. Серия обучающих видеороликов “TI PrecisionLabs – ADCs” посвящена методам выбора элементов для цепи фильтра Rfiltx и Cfilt. Данные параметры компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации преобразователя данных и конструкции самого преобразователя. Приведенные здесь значения позволяют получить хорошие показатели установления сигнала и динамические характеристики для выбранных моделей усилителя и АЦП. В случае изменения дизайна выберите другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео “Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП”, в котором представлена дополнительная информация о выборе RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов
  • Выберите дифференциальный усилитель, способный управлять АЦП. Например, THS4551 – дифференциальный прецизионный усилитель с низким уровнем шума на 150 МГц:
  • широкий диапазон синфазного входного напряжения: Vs- -0,1 В < Vcm < Vs+ -1,3 В;
  • линейное выходное напряжение (требование 0…3,3 В на каждом выходе): Vs- + 0,22 В < Vout < Vs+ -0,22 В.
  • Выберите операционный усилитель с широкой полосой пропускания. Например, OPA320 – прецизионный операционный усилитель типа Zero Crossover на 20 МГц, RRIO:
  • частотная эффективность (GBP) > 12,5 МГц (более чем пятикратная частота дискретизации);
  • диапазон синфазного входного напряжения (требование: ±1,65 В): V— -0,1 В < Vcm < V+ -0,1 В;
  • линейное выходное напряжение: V— +0,03 В < Vout < V+ -0,03 В, V— +0,2 В < Vout< V+ -0,2 В
  • комбинированный линейный диапазон для наихудшего случая (рассчитывается на основе компонентов, используемых с OPA320): -2,3 В < Vout < 2,3 В.
Примечание. Операционный усилитель используется для защиты датчика от возможных обратных выбросов заряда, которые возникают, когда АЦП подключает или отключает конденсатор на входе. Усилитель может не понадобиться, если датчик имеет высокий выходной импеданс. Отрицательная шина используется как для OPA320, так и для THS4551, исходя из предположения, что датчик работает с отрицательной шиной. Это также позволяет добиться наилучшей производительности АЦП, обеспечивая полный диапазон входного напряжения.

  • Выберите Rfx и Rgx:
  • комбинация Rfx и Rgx определяет коэффициент усиления системы. При входном диапазоне напряжений ±1,65 В и полном диапазоне АЦП ±3,3 В коэффициент усиления для этой системы был выбран равным 2;
  • значения Rfx = 2k и Rgx = 1k были выбраны для обеспечения требуемого коэффициента усиления, а также для ограничения тока через контур обратной связи; тем самым минимизируется энергопотребление системы.
  • Выберите Rsx:
  • резисторы малого сопротивления (в данном примере – 10 Ом) на выходе усилителя играют важную роль, позволяя сгладить выходной импеданс и улучшить стабильность системы.
  • Выберите значения Rfiltx и Cfilt для установления входного сигнала 250 кГц и частоты дискретизации 2,5 Msps:
  • алгоритм выбора Rfiltx и Cfilt представлен в видеопрезентации от TI PrecisionLabs “Refine the Rfilt and Cfilt Values”. Итоговые значения в 18,2 Ом и 330 пФ позволяют добиться ошибки установления напряжения значительно ниже ½ младшего разряда (LSB) в пределах времени преобразования.

Расчет передаточных характеристик, а также моделирование шумов и входного сигнала АЦП с подробностями на сайте Compel
  • 0
  • 10 мая 2019, 19:28
  • DIHALT

Комментарии (0)

RSS свернуть / развернуть
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.