Основные сведения о функциональном назначении драйверов АЦП
Кевин Треттер, ведущий инженер по маркетингу продуктов, Microchip Technology
Драйверы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) представляют собой усилители, созданные специально для работы с АЦП, в т.ч. АЦП последовательного приближения, конвейерного типа и сигма-дельта АЦП. Эти специальные усилители являются необходимыми компонентами схемы, которые позволяют АЦП работать с максимальной производительностью.
Что такое драйвер АЦП и зачем он нужен?
Потребность в преобразовании аналоговых сигналов, включая АЦП, продолжает расти по мере того как датчики получают все большее распространение на разных конечных рынках, к которым относятся сегменты связи, медицинской, потребительской и промышленной техники, а также автомобильной электроники.
На рынке АЦП наблюдается тенденция к увеличению разрешения и быстродействия этих преобразователей, поскольку стоимость таких решений становится более привлекательной.
Входные сигналы АЦП
Прежде чем обсуждать технические функции драйверов АЦП, ненадолго остановимся на архитектуре входов современного АЦП. Дифференциальный сигнал определяется двумя узлами с равными, но противоположными по знаку сигналами относительно некоторого фиксированного (синфазного) уровня. Один сигнальный узел обычно называется положительным (неинвертирующим), а другой – отрицательным (инвертирующим), как показано на рисунке 1.
Рис. 1. Пример дифференциального сигнала
В приведенном примере полный размах (пик–пик) входного напряжения составляет 5 В, а размах каждого отдельного сигнала – 2,5 В. Уровень синфазного сигнала в этом примере равен 2,5 В. В большинстве современных АЦП с улучшенными характеристиками реализована архитектура дифференциального входа, поскольку она обеспечивает превосходную производительность (по сравнению с несимметричными входами). Эти преимущества проявляются также в способности подавлять синфазный шум и сигналы синфазных помех, а также в увеличении динамического диапазона на 6 дБ (или в 2 раза).
Многообразие архитектур дискретизации входных сигналов АЦП усложняет выбор, который необходимо сделать на системном уровне. В рамках этой статьи мы уделим основное внимание АЦП, в которых используются переключаемые конденсаторы для дискретизации входного сигнала. По сути, входная схема таких преобразователей состоит из относительно небольшого конденсатора и аналогового переключателя, как видно из рисунка 2.
Рис. 2. Упрощенная входная схема с переключаемым конденсатором
Если переключатель установлен в положение 1, конденсатор выборки заряжается до напряжения узла выборки, в данном случае VS. Затем переключатель переводится в положение 2, в котором накопленный заряд конденсатора передается в остальную часть схемы выборки, после чего весь процесс повторяется.
Небуферизованный вход с переключаемым конденсатором может вызвать серьезные проблемы на системном уровне. Ток, необходимый для зарядки конденсатора выборки до соответствующего напряжения, должен подаваться с внешней схемы, подключенной к входу АЦП. Если конденсатор подключен к узлу выборки (см. положение 1 на рисунке 2), для начала зарядки конденсатора потребуется большой ток. Величина этого мгновенного тока зависит от размера конденсатора выборки, частоты, с которой он переключается, и напряжения на узле выборки. Этот переключающий ток описывается следующим уравнением:
В приведенном выше примере C – емкость конденсатора; V – напряжение на узле выборки (VS); f – частота переключения. Переключающий ток вызывает сильные всплески в узле выборки (см. рис. 2).
Последствия этой коммутации необходимо учитывать при проектировании аналоговой схемы перед АЦП. При прохождении этого тока через какое-либо сопротивление напряжение падает, что приводит к появлению погрешности по напряжению в узле выборки АЦП. Кроме того, возникают искажения, если входной узел полностью не вошел в установившийся режим перед следующим циклом выборки.
Решение: драйверы АЦП
Обеспечение требуемой целостности сигнала датчика, позволяющей в полной мере использовать более высокие разрешения и поддерживать высокоскоростные АЦП, представляет собой очень сложную задачу. По мере увеличения разрешения и скорости АЦП влияние шума и искажений от сигнала датчика становится заметнее. При более высоких скоростях дискретизации АЦП необходимо следить за тем, чтобы входной сигнал установился до выборки и зеркальные помехи не проникли в заданную полосу пропускания сигнала.
Чтобы преодолеть эти проблемы преобразования сигнала, многим приложениям требуется драйвер АЦП, который обеспечивает требуемое время установления и подавление помех спектрального наложения. Поскольку в большинстве современных АЦП реализована архитектура дифференциального входа, одна из основных функций драйвера – обеспечить преобразование несимметричного входного сигнала в дифференциальный.
Еще одна функция драйвера АЦП заключается в буферизации входного сигнала для изоляции остальной части схемы от инжекции заряда во входном узле АЦП. Драйвер обеспечивает мгновенную зарядку, чтобы узел выборки успел войти в установившийся режим до момента следующего переключения, благодаря чему искажения при установлении сводятся к минимуму.
Большинство усилителей с драйверами АЦП имеет аппаратный вывод, который позволяет смещать уровень синфазного напряжения. Эта функция обеспечивает центрирование результирующего дифференциального сигнала в диапазоне входного напряжения АЦП, что максимально увеличивает динамический диапазон преобразования.
Наконец, как и большинство компонентов усилителя, драйверы АЦП могут усиливать входной сигнал, а также выполнять активную фильтрацию. Следует заметить, что большинство драйверов АЦП имеет относительно малый коэффициент усиления (КУ) величиной только 1 или 2 В/В. Низкий КУ с обратной связью (ОС) позволяет максимально увеличить усиление контура, обеспечив наименьшие искажения. Например, если КУ усилителя без ОС равен 100 дБ, а его КУ с ОС задан равным 200 (46 дБ), то запас по усилению без обратной связи составляет всего 54 дБ для обеспечения линейности. По этой причине обычно применяется отдельный усилительный каскад, который устанавливается рядом с источником сигнала.
Чтобы в максимальной мере использовать возможности преобразователя данных, необходимо, чтобы драйвер АЦП оптимизировал его рабочие характеристики, привнеся в сигнал источника лишь незначительные искажения, шум и погрешности во время установления напряжения. Дифференциальный драйвер MCP6D11 специально разработан для максимального повышения производительности высокоскоростных АЦП, например MCP33131, – 16-разрядного АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации 1 Мвыб/с. Узнать, как эти два устройства сообща работают, обеспечивая максимальную производительность, можно с помощью соответствующей оценочной платы MCP331x1 (ADM00873).
MCA863