Выбор операционных усилителей с высокой разрешающей способностью

Компоненты и технологии, № 5'2003

Выбор ОУ для АЦП

с высокой разрешающей способностью

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 ОУ, который имеет входное сопротивление несколько МОм. Он также должен обеспечить входное масштабирование сигнала и его низкочастотную фильтрацию с целью уменьшения шумов в системе.

Владимир Арш

Для обеспечения высокой точности системы такие характеристики драйвера АЦП, как время установления, уровень шумов и нелинейных искажений (ТИБ), 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 ОУ/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 Мэрэ АЦП или чуть меньше 1,25 мкс для 18-разрядного 800 АЦП.

К сожалению, большинство спецификаций ОУ определяют время установления сигнала на уровне 0,1 или 0,01% от полного размаха выходного сигнала, а не 0,0015%, которое требуется для обеспечения 16-разрядной точности. Таким образом, фактическое время установления, соответствующее 16-разрядной точности, обычно будет 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:

SNRloss = 20 l°g

NMC 2+% U

2.5Ne,

FSR

где:

ЫабС = среднеквадратический шум АЦП (мкВ); /-мв = исходная полоса пропускания АЦП (МГц) (или частота среза входного фильтра АЦП, если он используется) по уровню -3 дБ;

N = коэффициент усиления шумов (1, если буфер); ЕЫ = эквивалентное напряжение входных шумов ОУ (нВ/^Гц);

РБК = полный диапазон входного сигнала АЦП, то есть 5 В для сигнала ±2,5 В.

Рассмотрим 16-разрядный АЦП, на вход которого подключен ОУ 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 ОУ с единичным коэффициентом передачи — 2 нВ/^Гц, при этом отношение «сигнал — шум» АЦП ухудшается всего на 0,08 дБ. Искажения

Вход собственно преобразователя обычно нуждается в буферном усилителе с низким выходным

-60 -70 -80 -90 -100 -10 -120 -130 -140

2RDI- ARMONIC

THD

/3RD НА RMONIC

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 INPUT LEVEL -dB Рис. 1. Приведены уровни THD, второй и третьей гармоник в зависимости от уровня входного сигнала для комбинации АЦП и драйвера ОУ. Суммарное значение THD не хуже -100 дБ на частотах как 20 кГц, так и 250 кГц

Компоненты и технологии, № S'2003

Рис. 2. 16-разрядная система сбора данных с асимметричным входом.

Входной сигнал — ±10 В сдвинут 2,5 В ИОН и отмасштабирован внутренним резистивным делителем, так что уровень сигнала на внутреннем ЦАП — 0-2,5 В. Фильтр (15 Ом, 2,7 нФ) может быть включен в качестве дополнительной опции

Рис. 3. В этой схеме асимметричный входной сигнал преобразуется в дифференциальный. 111 — входной буфер, 112 инвертирует входной сигнал и смещает его от У1?ЕР. Таким образом, уровень сигнала на -!Ы изменяется от 2,5 до 0 В, в то время как на +!Ы — от 0 до 2,5 В. Каждый вход сдвинут на 1,25 В.

В результате имеем колебания дифференциального входного напряжения с амплитудой ±2,5 В

сопротивлением для его изоляции от 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 ОУ/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 ОУ. Дополнительный низкочастотный фильтр, стоящий непосредственно перед входом АЦП, состоит из 15-омного резистора и конденсатора емкостью 2,7 нФ. Он уменьшает шумовую полосу пропускания ОУ и служит сглаживающим фильтром.

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 ОУ. 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 ОУ 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 CS — 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.

ОУ с внешней компенсацией

Почти все ОУ используют внутреннюю частотную компенсацию. Обычно это внутренний конденсатор, который обеспечивает отрицательную обратную связь по напряжению, формируя низкочастотный однополюсный фильтр. Поскольку большинство ОУ предназначено для работы в широком диапазоне коэффициентов усиления, то внутренний кон-

денсатор должен быть достаточно большим, чтобы 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 ОУ, то он слишком велик в тех случаях, когда усилитель работает на более высоких коэффициентах усиления. Это обстоятельство объясняет факт, почему ОУ с внутренне компенсированной обратной связью по напряжению имеют обычно фиксированное отношение «полоса пропускания — коэффициент усиления».

Например, если обычный ОУ 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 ОУ 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 ОУ 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 ОУ 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.

Л08021 — ОУ 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

Компоненты и технологии, № S'2003

FREQUENCY-Hz

Рис. 5. Спроектированный для работы с петлевым коэффициентом усиления 1 при конденсаторе внешней компенсации 10 пФ, ДЭ8021 имеет полосу пропускания 200 МГц и фазовый сдвиг 60° (Д). При повышении коэффициента усиления до 10 полоса пропускания уменьшается до 20 МГц, а фазовый сдвиг возрастает до 90° (В). Уменьшение конденсатора внешней компенсации до 0 расширяет полосу пропускания до 200 МГц и возвращает фазовый сдвиг к 60° (С|

Є-

внешнего конденсатора компенсации, который позволяет подключить дополнительную внешнюю емкость для оптимизации работы при любом требуемом коэффициенте усиления или любой нагрузке.

Внешняя компенсация ОУ 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 АБ8021.

Входной каскад — дифференциальная пара транзисторов ^Р-Н работающая при токах

1,6 мА. Этот уровень тока позволяет получить высокий входной импеданс при низких входных шумах (2,1нВ/^Гц 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 АБ8021 с разомкнутой обратной связью.