Преобразователь напряжения в частоту и способ его калибровки
VOLTAGE-TO-FREQUENCY CONVERTER AND METHOD FOR CALIBRATION THEREOF

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки сигналов и преобразования аналоговой информации в цифровую.
Известны схемы преобразователей напряжения в частоту (ПНЧ) на основе интеграторов напряжения. Так схема по патенту РФ [1] содержит интегратор, переключатель, компаратор, источник опорного напряжения и формирователь импульсов возврата. Преимуществом этой схемы является равномерность следования выходных импульсов, а недостатком является однополярность и ограниченная погрешностью составных частей точность преобразования.
Наиболее близким к заявляемому является ПНЧ 1316ПП1У [2]. Его структурная схема представлена на Фиг. 1. ПНЧ содержит интегратор 1 на основе чоппер стабилизированного операционного усилителя 2 с заземленным неинвертирующим входом, конденсатора интегрирования 3 и входного резистора 4, два резистора возврата 5 и 6, подключенные к источникам положительного 7 и отрицательного 8 опорного напряжения, два ключа возврата 9 и 10, два компаратора 11 и 12. Отрицательное опорное напряжение REFB формируется из положительного опорного напряжения REFT с помощью инвертирующего усилителя 13. Блок логики 14 по сигналам компараторов формирует выходные сигналы FT (15) и FB (16) и сигналы управления ключами возврата 17, а также тактовый сигнал чоппера 18. Такая структура обусловливает важное преимущество ПНЧ - его биполярную передаточную характеристику.
ПНЧ 1316ПП1У работает следующим образом. Входное напряжение поступает на вход интегратора 1. При постоянном входном напряжении на выходе интегратора формируется линейно изменяющееся напряжение: возрастающее при отрицательном входном напряжении и убывающее при положительном. При достижении выходным напряжением интегратора уровня положительного или отрицательного опорного напряжения соответствующий компаратор 11 или 12 переключается и запускает формирование в блоке логики 14 одного из двух импульсов возврата точной длительности, который, управляя соответствующим ключом возврата 9 или 10, подает в точку суммирования ток от соответствующего источника опорного напряжения. Таким образом выходное напряжение интегратора возвращается в зону между положительным и отрицательным опорным напряжением и интегрирование продолжается. Частота процесса интегрирование - возврат пропорциональна входному напряжению. Длительность импульсов на выходе компараторов также зависит от входного напряжения, блок логики 14 формирует импульсы постоянной длительности и синхронизированные с тактовым сигналом: на выходе FT (15) при положительном входном напряжении и на выходе FB (16) - при отрицательном.
Частота импульсов определяется формулой:
out
• F - выходная частота
in
• V - входное напряжение
ref
• V - опорное напряжение
rev
• R - сопротивление резистора возврата
in
• R - сопротивление входного резистора
rev
• T - длительность импульса возврата
Важно, что выходная частота определяется отношением напряжений и сопротивлений, а также длительностью импульса возврата. Выходная частота не зависит от емкости конденсатора интегрирования и смещения нуля компаратора. Современные схемотехнические решения позволяют формировать точные опорные напряжения, точные отношения резисторов и точные интервалы времени.
На Фиг. 2 приведена временная диаграмма работы ПНЧ. В начале диаграммы в области О входное напряжение Vin=0B, выход интегратора находится в исходном состоянии и не изменяется, импульсы на выходах FT, FB отсутствуют. В области 1 входное напряжение Vin=+0.2B, на выходе интегратора убывающее напряжение. При достижении порога компаратора формируются импульсы возврата интегратора в зону между пороговыми уровнями и импульсы на выходе FT. В области 2 входное напряжение Vin=-2.0B, на выходе интегратора возрастающее с большей крутизной напряжение. Теперь импульсы с большей частотой формируются на выходе FB. В области 3 входное напряжение Vin=+3.2B, на выходе интегратора убывающее с еще большей крутизной напряжение. Импульсы с еще большей частотой на выходе FT.
Основным источником ошибок рассматриваемого ПНЧ является смещение нуля операционного усилителя интегратора. Чоппер стабилизация усилителя позволяет в первом приближении решить эту проблему. Формирование отрицательного опорного напряжения путем инверсии положительного также позволяет в первом приближении уйти от несовпадения двух разных опорных источников. Поэтому другим важным преимуществом ПНЧ является высокая точность преобразования.
Вместе с тем ПНЧ обладает рядом недостатков. Ряд ошибок второго порядка ограничивают возможность дальнейшего повышения точности преобразования. К ним относятся:
При больших входных напряжениях (высоких частотах на выходе) чоппер стабилизация модулирует выходную частоту, так что говорить о высокой точности можно только в смысле усреднения по большому числу периодов чоппера.
Другим источником ошибок является не точное равенство абсолютных величин положительного и отрицательного опорного напряжения. Отрицательное напряжение формируется из положительного инвертирующим усилителем. Его смещение нуля и рассогласование резисторов обратной связи вызывают перекос опорных напряжений. Как следствие ПНЧ имеет отличающиеся коэффициенты преобразования для положительного и отрицательного входного напряжения, которые специфицируются независимо друг от друга. Рассогласование резисторов возврата вносят дополнительный вклад в этот перекос. Иными словами, биполярная передаточная характеристика, будучи высоко линейной имеет незначительный излом в нуле.
Еще одним источником ошибок является асимметрия выбросов заряда ключами чоппера, порождающая динамическую ошибку.
Известно техническое решение по патенту РФ [3] «КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и способ калибровки». На Фиг. 3 приведена его схема. Усилитель имеет один входной и два выходных кросс ключа, выполняющих одновременное переключение дифференциальных входов и выходов первого каскада. Пара дифференциальных токовых входов Isp/Isn вводят калибрующий ток в цепь первого каскада, вносящего доминирующий вклад в смещение нуля усилителя, причем независимо от состояния чоппера. Пара дифференциальных токовых входов Idp/Idn вводят калибрующий ток в цепь второго каскада после выходных кросс ключей. Первая пара используется для калибровки классического смещения нуля усилителя в статике, при остановленном чоппере. Вторая пара используется для калибровки в динамике при работающем чоппере и фактически калибрует динамическую ошибку асимметричного выброса заряда ключами чоппера. Причем вторая динамическая калибровка выполняется после применения статической, когда статическое смещение уже близко к нулю. Источником калибрующего воздействия могут быть в частности дифференциальные токовые ЦАПы.
Целью настоящего изобретения является повышение точности ПНЧ за счет калибровки ошибок ПНЧ второго порядка.
Поставленная цель достигается тем, что в ПНЧ, содержащем интегратор, состоящий из чоппер - стабилизированного усилителя с заземленным неинвертирующим входом, выход которого является выходом интегратора, конденсатора, включенного между инвертирующим входом и выходом усилителя, входного резистора, включенного между инвертирующим входом усилителя и входом ПНЧ, два резистора возврата интегратора, подключенные первыми выводами к источникам положительного и отрицательного опорных напряжений, а вторыми выводами - через два ключа возврата интегратора к инвертирующему входу усилителя, два компаратора, сравнивающие выходное напряжение интегратора с положительным и отрицательным опорным напряжением, блок логики, подключенный к выходам компараторов и формирующий сигналы положительного и отрицательного частотных выходов ПНЧ, сигналы управления ключами возврата и тактовый сигнал чоппер - стабилизации, усилитель имеет входы статической калибровки смещения нуля с выключенной чоппер - стабилизацией и динамической калибровки смещения нуля с включенной чоппер - стабилизацией, интегратор содержит переключатель, соединяющий инвертирующий вход усилителя с входным резистором или неинвертирующим входом или находящийся в разомкнутом состоянии и ключ обнуления, соединяющий инвертирующий вход с выходом усилителя, ПНЧ содержит два цифро-аналоговых преобразователя ЦАП1 и ЦАП2, выходы которых подключены к входам соответственно статической и динамической калибровки смещения нуля усилителя, блок логики содержит автомат калибровки и формирует сигналы управления переключателем, ключом обнуления, ЦАП1 и ЦАП2.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что ПНЧ содержит преобразователь положительного опорного напряжения в отрицательное на основе инвертирующего усилителя, имеющего вход калибровки смещения нуля, ЦАП3, подключенный входом к блоку логики, а выходом - к входу калибровки смещения нуля источника отрицательного опорного напряжения, а блок логики формирует сигналы управления ЦАП3.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что входы калибровки смещения нуля усилителей и выходы ЦАП - токовые.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что ПНЧ содержит резистивные делители положительного и отрицательного опорного напряжения и ключи, подключающие опорные входы компараторов к номинальным или к уменьшенным резистивными делителями положительному и отрицательному опорным напряжениям.
Поставленная цель также достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором последовательно калибруют: статическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и выключенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП1 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, динамическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и включенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП2 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, отрицательное опорное напряжение при разомкнутом переключателе и двух включенных ключах возврата загрузкой в ЦАП3 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, при этом вычисление кодов ЦАПов, минимизирующих смещение нуля ПНЧ, проводят последовательным приближением, определяя направление изменения кодов на каждой итерации по сигналам компараторов.
В частном случае поставленная цель достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором последовательно калибруют: статическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и выключенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП1 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, динамическое смещение нуля ПНЧ при инвертирующем входе усилителя, соединенном переключателем с входным резистором, внешнем заземлении входа ПНЧ и включенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП2 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, отрицательное опорное напряжение при разомкнутом переключателе и двух включенных ключах возврата загрузкой в ЦАП3 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, при этом вычисление кодов ЦАПов, минимизирующих смещение нуля ПНЧ, проводят последовательным приближением, определяя направление изменения кодов на каждой итерации по сигналам компараторов.
В частном случае поставленная цель достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором опорные входы компараторов подключают к опорным источникам через резистивные делители, уменьшающие опорные напряжения компараторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На Фиг. 1 - блок схема ПНЧ 1316ПП1У;
На Фиг. 2 - временные диаграммы работы ПНЧ 1316ПП1У;
На Фиг. 3 - блок схема усилителя с чоппер стабилизацией и входами калибровки смещения нуля;
На Фиг. 4 - блок схема заявляемого ПНЧ;
На Фиг. 5 - блок схема заявляемого ПНЧ с резистивными делителями, уменьшающими опорные напряжения компараторов;
На Фиг. 6 - временные диаграммы калибровки.
Заявляемый ПНЧ содержит следующие дополнительные по сравнению с прототипом блоки. В соответствии с п. 1 Формулы (Фиг. 4) на входы статической 19 и динамической 20 калибровки смещения нуля известного по [3] КМОП усилителя с чоппер стабилизацией подаются дифференциальные токовые сигналы соответственно статической и динамической калибровки. Переключатель 21 соединяет инвертирующий вход усилителя с входным резистором или неинвертирующим входом или находится в разомкнутом состоянии. Ключ обнуления интегратора 22 по сигналу от блока логики 14 обнуляет интегратор. ЦАП1 (23) статической калибровки смещения и ЦАП2 (24) динамической калибровки смещения формируют соответствующие дифференциальные токи калибровки. В соответствии с п. 2 Формулы ЦАП3 (25) формирует дифференциальный ток калибровки смещения нуля источника отрицательного опорного напряжения. Для ускорения процесса калибровки и увеличения точности целесообразно уменьшить пороговые уровни на опорных входах компараторов 11, 12. С этой целью и в соответствии с п. 4 Формулы в ПНЧ введены резистивные делители и переключатели 26, 27 пороговых уровней компараторов (Фиг. 5).
Заявляемый ПНЧ работает следующим образом. В исходном состоянии до калибровки переключатель 21 соединяет инвертирующий вход усилителя с входным резистором, а ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3 формируют нулевые калибрующие токи. В этом состоянии работа заявляемого ПНЧ полностью совпадает с работой ПНЧ 1316ПП1У, описанной ранее.
Калибровку выполняют за 3 шага в соответствии с п. 5 Формулы. Процесс калибровки иллюстрируется временной диаграммой на Фиг. 6. Обозначение сигналов диаграммы:
• ct, cb - выходы компараторов 11 и 12 соответственно
• sar - внутренний регистр последовательного приближения. Регистр содержит 1 в разряде кода, обрабатываемого на текущей итерации последовательного приближения. В начале каждого шага калибровки регистр содержит шестнадцатеричное 200 (единица в старшем разряде). На каждой следующей итерации единица смещается в сторону младших разрядов
• dac_s, dac_d, dac_r - коды ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3 соответственно. В начале каждого шага соответствующий ЦАП содержит шестнадцатеричное 200, (середина шкалы ЦАП). На каждой следующей итерации код ЦАПа уменьшается, при переключении компаратора 11 или увеличивается, при переключении компаратора 12. На первом шаге (1 на Фиг. 6) калибруют статическое смещение нуля ПНЧ. Для этого переключателем 21 замыкают входы усилителя и останавливают тактовый сигнал чоппера 18. Калибровку проводят методом последовательного приближения с числом итераций, равным разрядности ЦАП - в конкретной реализации - 10.
Перед первой итерацией на выходе ЦАП1 устанавливают нулевой калибрующий сигнал, соответствующий середине биполярного диапазона калибровки. В начале каждой итерации обнуляют интегратор ключом обнуления 22 в течении времени, достаточного для разряда конденсатора интегрирования с приемлемой точностью. После обнуления интегратор начинает интегрировать статическое смещение нуля усилителя. Ввиду малости смещения на выходе интегратора будет медленно и линейно изменяющееся напряжение. При достижении выходным напряжением интегратора одного из двух, в зависимости от полярности смещения, опорных уровней соответствующий компаратор переключается, и происходит переход к следующей итерации. На этой итерации ЦАП1 изменяет калибрующий сигнал в направлении, уменьшающем абсолютную величину смещения, в зависимости от того, какой компаратор переключился. На каждой следующей итерации шаг изменения калибрующего сигнала уменьшают в два раза.
На любой итерации может возникнуть состояние, когда текущий калибрующий сигнал очень точно компенсирует смещение, выходное напряжение интегратора изменяется крайне медленно, и время достижения опорного уровня неприемлемо велико. Во избежание таких состояний вводят таймаут так что, если для очередной итерации за время таймаута ни один из компараторов не переключился, процедура последовательного приближения прерывается. Это значит, что калибровка достигла приемлемой точности. Увеличение времени таймаута увеличивает точность калибровки, но ценой времени. Независимо от того, завершилась калибровка на последней итерации или была прервана таймаутом, в конце калибровки калибрующий сигнал на выходе ЦАП1 компенсирует статическое смещение и остается в этом состоянии на время последующих шагов калибровки и дальнейшей нормальной работы.
Калибровка статического смещения уменьшает модуляцию выходной частоты частотой чоппера при большом входном сигнале и высокой выходной частоте.
На втором шаге (2 на Фиг. 6) калибруют динамическое смещение нуля ПНЧ, вызванное асимметрией выброса заряда ключами чоппера. Входы усилителя по-прежнему замкнуты переключателем 21, но чоппер переводят в активное состояние, восстанавливая тактовый сигнал чоппера 18. Процедура последовательного приближения аналогична предыдущему шагу, но в отношении ЦАП2.
На Фиг. 6 второй шаг прерывается досрочно по таймауту на 8-й итерации. На диаграмме интервал с 1900 по 3600 нс свернут и обозначен вертикальной линией чтобы освободить место для важных деталей диаграммы. Этот интервал относится к длинной итерации 8, превысившей таймаут. Код 244 этой итерации является окончательным кодом ЦАП2.
На третьем шаге (3 на Фиг. 6) калибруют отрицательное опорное напряжение, источником ошибок которого являются смещение нуля инвертирующего усилителя 13 и рассогласование резисторов его обратной связи. Для этого переключатель 21 переводят в разомкнутое состояние, замыкают оба ключа возврата 9 и 10, а чоппер оставляют в активном состоянии. В такой конфигурации интегратор 1 фактически интегрирует дисбаланс токов, текущих через резисторы возврата 5 и 6, и который необходимо свести к нулю. Выполнение этого требования означает, что рассогласование резисторов возврата 5 и 6 также откалибровано. Процедура последовательного приближения аналогична предыдущим шагам, но в отношении ЦАП3. Ресурсы для этого шага калибровки введены в п. 2 Формулы.
Существуют эффективные схемотехнические решения для воздействия на смещение нуля усилителя с помощью калибрующих токов [3]. Поэтому ЦАПы калибровки имеют токовые выходы в соответствии с п. 3 Формулы. Однако это не исключает других схемотехнических решений калибровки смещения.
Для ускорения и повышения точности калибровки целесообразно на время калибровки уменьшить абсолютную величину пороговых уровней компараторов в соответствии с п.п. 4 и 7 Формулы. В конкретной реализации пороговые уровни при нормальной работе составляют ±1250 мВ, а при калибровке ±10 мВ. Важно, что точная величина и симметрия этих уровней не имеют принципиального значения.
Описанный выше способ калибровки предполагает отличие условий работы входа ПНЧ при нормальной работе и при калибровке. Так при калибровке входы усилителя интегратора замкнуты переключателем и изолированы от входа ПНЧ. Паразитные воздействия (утечки, помехи, падение напряжения) со стороны входа ПНЧ не участвуют в процессе калибровки и не устраняются. Можно повысить точность калибровки, включая паразитные воздействия входа, при внешнем заземлении входа ПНЧ. Наиболее эффективно делать это при динамической калибровке, в соответствии с п. 6 Формулы. Это требует, однако, дополнительного ключа и соответствующего сигнала переключения вне ПНЧ.
Настоящее техническое решение позволило существенно улучшить основные параметры ПНЧ по сравнению с прототипом 1316ПП1У:
Отсутствие калибровки отрицательной опоры у прототипа не позволяет получить высокие значения параметров в биполярном диапазоне, поэтому такие параметры не приведены в спецификации прототипа. В таблице приведены только справочные значения параметров прототипа в биполярном диапазоне. Для заявляемого ПНЧ появляется возможность специфицировать высокие гарантированные значения параметров в биполярном диапазоне.
Литература
1. патент РФ 2015132723.
2. ПНЧ 1316ПП1У спецификация https://ic.rnilandr.ru/upload/iblock/5e5/5e54e76dd92dbb5d706d114ac696b52e.pdf
3. патент РФ 2019137419.