Основной мерой сигнала переменного тока является величина среднего квадрата (СКВ), которая определяется величиной сигнала постоянного тока, необходимого для создания такого же количества тепла в такой же нагрузке.

Математически значение СКВ выражается как

Erms =

Для вычисления СКВ необходимо возвести в квадрат величину сигнала, но если сигнал мал, то его значение в квадрате будет еще меньше. Для увеличения динамического диапазона в устройствах, где преобразование СКВ осуществляется в неявном виде, значение СКВ делится на среднее значение выхода. Однако, деление на среднее становится проблемой в случае, когда входной сигнал равен или близок к нулю. Вблизи нуля вследствие ошибки деления все без исключения преобразователи начинают плохо работать. Также, вследствие ограничений скорости нарастания выходного напряжения в прецизионном выпрямителе или схеме вычисления абсолютного значения, которая преобразует биполярный сигнал в униполярный, становится проблематичным вычисление СКВ значения сигналов с очень малыми уровнями. Таким образом, пользователи должны знать минимальные уровни сигналов постоянного или переменного тока, которые могут быть успешно преобразованы в СКВ.

Одним из путей преодоления этих ограничений является переключение динамического диапазона путем усиления входного сигнала в каскаде с постоянным усилением. Встроенный операционный усилитель (ОУ) с входом на полевом транзисторе (ПТ) позволяет с легкостью это сделать. Другое решение – это ввести ток в схему для создания смещения (обычно 5 мВ) избегания очень малых входных сигналов. Таким образом, добавочное, точно определенное V_OS можно будет вычесть из результата вычисления СКВ. Оба из этих способов достаточно сложны, но AD8436, как показано на рисунке 1, позволяет просто решить проблему с низким входным уровнем.

Рисунок 1: Простой точный преобразователь СКВ в постоянное напряжение можно использовать с ультранизкими входными напряжениями.

Эта схема характеризуется точностью преобразования сигналов переменного тока более чем ± 0,5% с динамическим диапазоном от 100 мкВ до 3 В. Постоянное время установления для широкого диапазона входных сигналов переменного тока, начиная от уровней близких к нулю и заканчивая высокими уровнями, позволяет согласовать скорости преобразования. Встроенные буфер с входами на ПТ, ядро СКВ и прецизионный усилитель постоянной составляющей с низким током покоя в 500 мкА позволяют сделать устройство, предназначенное для приложений с батарейным питанием.

Возможность выполнять преобразование без остановки позволяет этой схеме иметь чувствительность более чем 100 мкВ, позволяя ее использовать в приложениях с сигналами низкого уровня. Устройство имеет характеристики сравнимые с характеристиками дорогих гибридных и модульных преобразователей и работает там, где ΣΔ и другие нелинейные решения уже перестают выполнять преобразование. С широким диапазоном напряжений источников питания схема вычисляет точное значение эквивалентное СКВ переменных сигналов и выдает этот сигнал на выход OUT с усилением равным 11. Дополнительно можно использовать входной буфер. Прецизионный выходной буфер имеет биполярные входы, низкое напряжение смещения и малый ток потребления.

На рисунке 2 изображена передаточная функция СКВ в постоянную составляющую вблизи нуля, из которой видно приложенное напрямую к ядру постоянное напряжение. Для большинства приложений остаточными ошибками при низких входных уровнях можно пренебречь.

Как показано, схема обладает регулярной монотонной передаточной функцией вплоть до 100 мкВ постоянного напряжения. Единственное ограничение – напряжение смещения ядра СКВ. Сигнал не центрован из-за того, что тестируемое устройство имеет напряжение смещения +100 мкВ. Схема не ограничивает работоспособность при высоких или низких амплитудах, позволяя ее использовать при напряжениях ниже 100 мкВ и выше 3 В, в отличие от цифровых решений, где значение младшего разряда (LSB) ограничено.

Рисунок 2: Передаточная функция постоянной составляющей вблизи нуля вольт снимает ограничения SD и других нелинейных решений.

На рисунке 3 изображена частотная характеристика схемы при экстремально низких уровнях входного синусоидального сигнала переменного тока размахом от 50 мкВ до 300 мкВ от пика до пика.

Рисунок 3: Частотная характеристика при экстремально низких уровнях напряжений входных сигналов переменного тока.

Авторы:

Чоу Трэн, Analog Devices Inc., Уилмингтон, Массачусетс. (chau.tran@analog.com)
Дэвид Карпэти, Analog Devices Inc., Уилмингтон, Массачусетс. (david.karpaty@analog.com)