Равенство фаз на входе АЦП

При дифференциальном входном сигнале важно, чтобы между обоими составляющими дифференциального сигнала сохранялся сдвиг фаз 180°. Иначе возникают искажения четных гармоник. Расхождение фаз на аналоговом входе, как правило, возникает в случае, если компонент не обладает достаточным допуском, либо топология печатной платы несимметрична. 

При использовании трансформатора на входе АЦП может возникать пассивное расхождение фаз на частотах 100-150 МГц. Его можно уменьшить, если использовать два трансформатора или симметрирующих устройства. Однако при этом существенно увеличивается размер и стоимость схемы, поэтому это не лучшее решение.

Рис. 1.Для приложений, требующих развязки по постоянному току, высокочастотный трансформатор может применяться в качестве преобразователя несимметричного сигнала в хорошо сбалансированный входной сигнал АЦП

Активное расхождение фаз, которое вносит усилитель на входе АЦП, обычно возникает в случае, когда допуски элементов слишком велики. Например, резисторы, устанавливающие коэффициент усиления, должны иметь допуск 1% или меньше. При возникновении сдвига фаз на суммирующих входах напряжение немного изменяется, что приводит к искажению второй гармоники.

Сдвиг фаз может возникнуть из-за неправильной трассировки, когда сигналы проходят по ассиметричным путям с различной задержкой. Допустимый уровень расхождения фаз – не более 4º.    

Рис. 2. Использование дифференциального усилителя позволяет преобразовать несимметричный входной сигнал в дифференциальный

Напряжение полной шкалы

В документации к АЦП указывается требуемое синфазное напряжение смещения, которое необходимо для того, чтобы достичь заявленные характеристики. У некоторых преобразователей имеется встроенные буферы с внутренним смещением, равным A_VDD/2+0,7 В, где A_VDD – напряжение питания.

Рис. 3.

Для преобразователей без буфера синфазное смещение обычно равно половине напряжения питания. Напряжение смещения может быть обеспечено несколькими способами.

У преобразователя имеется специальный вывод смещения. Другой вариант – подключить внутренний источник смещения к центральной точке трансформатора, либо взять напряжение с источника питания, подобрав соответствующие резисторы.

При использовании вывода V_refв качестве источника синфазного напряжения смещения иногда требуется внешний буфер. Это обычно указано в документации.   

Обеспечивать требуемое синфазное смещение особенно важно, если аналоговый сигнал был предварительно усилен или если в приложении требуется развязка по постоянному сигналу (при дискретизации постоянного или очень низкочастотного сигнала). Необходимо удостовериться, что выходной размах усилителя подходит для данного АЦП.

Если в схеме имеется несколько каскадов, необходимо следить за уровнями синфазного напряжения, чтобы компоненты сигнала не подавляли друг друга. Если сигналы переменные, между каскадами следует использовать развязывающий конденсатор. Это позволит сформировать правильно смещенный выходной сигнал усилителя, который является входным для преобразователя.

Коэффициент шума

Для АЦП понятия коэффициент шума и отношение сигнал-шум взаимозаменяемы. Коэффициент шума больше подходит для описания плотности шума, а отношение сигнал-шум позволяет определить общее количество шума в интересующей полосе. Однако не всегда низкий коэффициент шума означает, что помехи на входе АЦП будут слабыми.

Когда сопротивление на входе увеличивается в 4 раза, коэффициент шума увеличивается на 6 дБ. Одновременно увеличивается тепловой шум, «видимый» со стороны преобразователя. Если сопротивление источника велико, или входной сигнал превышает половину шкалы, подавление шума становится сложной задачей.

С усилителями такая же проблема: если увеличивается коэффициент усиления, то усиливается не только полезный сигнал, но и внутренние шумы. Нужны сложные фильтр защиты от наложения спектров. При проектировании входных каскадов следует учитывать спектральную плотность шума.

Полоса пропускания АЦП

Полоса пропускания современных АЦП часто превышает частоту дискретизации. Это явление называется передискретизацией. Согласно теореме дискретизации, если частота дискретизации меньше, чем удвоенная максимальная частота сигнала, происходит наложение спектров. В то же время если сигнал имеет узкую полосу, то независимо от его частоты, он может быть оцифрован широкополосным АЦП с частотой дискретизации выше, чем максимальная частота сигнала, но ниже, чем его центральная частота. Этот принцип лег в основу сигма-дельта АЦП.

Рис.4.

DC/DC-преобразователь

Распространено мнение, что импульсные преобразователи ухудшают характеристики АЦП, поэтому при выборе источника питания часто отдается предпочтение линейным регуляторам с малым падением напряжения. На самом деле это мнение ошибочно.

Не любой импульсный преобразователь подходит для АЦП. Чтобы убедиться, что выбор сделан верно, необходимо тщательно изучить характеристики импульсного преобразователя, а именно уровень вносимых помех, величину пульсаций, частоту переключения. Типичное среднеквадратичное значение шума равно 10 мкВ на полосе 100 кГц. Если принять, что шум белый, то его плотность составляет 31,6 нВ/√Гц.

Для большинства импульсных преобразователей коэффициент подавления пульсаций напряжения питания равен 60 дБ (1 мВ/В) в первой зоне Найквиста.

Для 16-разрядного АЦП с отношением сигнал-шум 78 дБ и частотой дискретизации 125 млн выборок в секунду среднеквадратичный уровень собственных шумов равен 11,26 нВ. Если внешние источники шума вызывают более сильные помехи, это негативно отразится на работе АЦП. В первой зоне Найквиста, f_s/2, среднеквадратичный шум преобразователя равен 89,02 мкВ (11,26 нВ/√Гц) х √(125 МГц/2). Хотя шум импульсного преобразователя почти вдвое выше шума преобразователя, следует учитывать коэффициент подавления пульсаций 60 дБ, благодаря которому шум DC-преобразователя до 31,6 пВ/√Гц (31,6 нВ/√Гц × 1 мВ/В) будет ослаблен. Видно, что собственный шум регулятора гораздо меньше собственного шума АЦП, поэтому он не влияет на характеристики АЦП. 

Имеют значение некоторые другие факторы, например, фильтрация, заземление, топология платы. Ослабить шумы можно с помощью подключения конденсаторов 0,1 мкФ к выводам питания АЦП. Иногда достаточно ограничиться простым LC-фильтром. Если слой питания и слой земли расположены близко друг к другу (расстояние между ними меньше 4 мил), то автоматически обеспечивается дополнительное развязка на ВЧ. Необходимо также следить, чтобы аналоговые элементы по возможности располагались вдали от переключающихся.