Рассмотрены основные вопросы, возникающие при выборе усилителя для формирования сигнала на входе АЦП.
Какие ОУ следует применять на входе АЦП для формирования сигнала?
Усилитель может иметь один вход или выход, либо два (дифференциальный вход или выход). Обратная связь по напряжению (ОСН) или току (ОСТ). Специализированные усилители обеспечивают сдвиг входного сигнала, межкаскадную развязку, преобразование сигнала в дифференциальный и наоборот, ослабление или усиление сигнала.
Как выбрать тип ОС?
Коэффициент передачи ОСТ сильно зависит от частоты. Усилители с токовой ОС имеют более крутой наклон АЧХ, меньшие искажения и имеют лучшие характеристики в области ВЧ, чем ОУ с ОСН. Усилители с ОСН обеспечивают меньший шум и более эффективную работу на низких частотах.
На компонентном уровне также между ними существует разница. При реализации ОСН есть свобода выбора резисторов в контуре ОС. Для ОУ с токовой ОС диапазон номиналов указан в технической документации. Токовую ОС предпочтительно использовать в схемах с большими коэффициентами усиления.
Каковы преимущества дифференциальных ОУ на входе АЦП?
Дифференциальные усилители используются для преобразования сигнала из однопроводного в дифференциальный, из дифференциального в дифференциальный, для сдвига синфазной составляющей и усиления дифференциального сигнала.
Дифференциальные ОУ имеют низкий уровень искажений и малое время установления.
В чем отличие дифференциального ОУ на входе АЦП от усилителя с одним входом?
Помимо наличия двух входов, инвертирующего и неинвертирующего, у некоторых дифференциальных ОУ с ОСН имеется дополнительный вход смещения VOCM (см. рис. 1), который смещает синфазную составляющую выходного сигнала.
Рис. 1. Усилитель с выводом VOCM для смещения выходного сигнала
Коэффициент передачи ОС задается резисторами на входе и в контуре ОС. На входах ОУ необходимо использовать дополнительные согласующие резисторы. Внутренняя ОС обеспечивает сбалансированный на широком диапазоне частот выходной сигнал, поэтому требования к внешним компонентам нестроги.
Выходные сигналы дифференциального усилителя близки к идеальному – у них одинаковая амплитуда и сдвиг фаз ровно 180°. Сохранить постоянную составляющую сигнала можно с помощью напряжения смещения.
В каких случаях используется ослабляющий усилитель со сдвигом уровня и как он работает?
В промышленных приложениях часто используются датчики с диапазоном выходного сигнала ±10 В. Большинство АЦП рассчитаны на меньший диапазон. Усилитель со сдвигом уровня уменьшает амплитуду входного сигнала и сдвигает уровень постоянной составляющей выходного сигнала (см. рис. 2). Например, входной сигнал с размахом 20 В и нулевой постоянной составляющей может быть преобразован в сигнал с размахом 4 В и смещением 2,5 В.
Рис. 2. Схема сопряжения датчика с размахом выходного сигнала ±10 В с АЦП с диапазоном входного напряжения 0..4 В
Существует несколько иных способов сдвига. Самый простой – использовать специализированный усилитель со сдвигом уровня. В таких усилителях используются внутренние резисторы с лазерной подгонкой ,которые обеспечивают высокую точность коэффициента усиления, подавление синфазной составляющей и малое смещение. Еще одно преимущество заключается в том, что для усилителя не требуется отдельного источника питания.
Если полоса пропускания ОУ по уровню -3 дБ составляет 1 ГГц, можно использовать данную частоту на входе АЦП?
Если АЦП имеет высокое разрешение, следует посмотреть, насколько гладка АЧХ за точкой -3 дБ. Следует рассмотреть уровень гармонических искажений как функцию частоты.
Частота, при которой коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ, называется частотой среза. В этой точке мощность выходного сигнала уменьшается наполовину от мощности в полосе пропускания. Частоту среза можно использовать для приближенного сравнения усилителей.
Искажения, вносимые усилителем, не должны ухудшать эффективную разрядность АЦП (ENOB): ENOB = (SINAD– 1,76)/6,02, где SINAD – отношение сигнал-шум с учетом искажений.
Почему следует использовать усилитель вместо пассивного трансформатора?
Главная причина заключается в том, что усилитель обеспечивает более гладкую полосу пропускания и обеспечивает развязку сигнала от входа АЦП. АЧХ трансформатора менее плавна. Усилитель обеспечивает лучшую стабильность, обычно ±0,1 дБ на всем частотном диапазоне. Кроме того, трансформаторы не предназначены для преобразования низкочастотных сигналов. Отсутствие развязки приводит к тому, что шум, генерируемый на входе АЦП, проникает в исходный сигнал. Усилитель обеспечивает развязку 70-80 дБ.
В то же время на высоких частотах трансформаторы обеспечивают более высокое отношение сигнал-шум и больший динамический диапазон, свободный от помех.
Каковы преимущества использования трансформатора на входе ОУ с ОСН?
Рассмотрим схему, приведенную на рисунке 3.
Рис. 3. На входе ОУ стоит трансформатор для усиления полезного сигнала и удаления шумов
Коэффициент усиления сигнала усилителя с ОСН может быть больше, чем коэффициент усиления шума:
.
При расчете коэффициента усиления шума импеданс источника Ziпреобразуется в Rg. Выражение для коэффициента шума выглядит следующим образом:
.
Отношение β коэффициента усиления сигнала к коэффициенту шума
, где α = Rf/Rg.
Таким образом, трансформатор обеспечивает дополнительное усиление. Из практических соображений выбирается n≤2.
Второе преимущество – уменьшение шума, приведенному ко входу. Повышающий трансформатор обеспечивает подавление шумов за счет большого входного импеданса источника. При α>2 коэффициент усиления шума меньше коэффициента усиления сигнала даже при n=1.