Использование импульсного преобразователя для питания прецизионного АЦП последовательных приближений в микромощных приложениях. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2017

Alan Walsh, Analog Devices

Часть 1

Если снизить частоту выборки до 10 квыб/с, потребляемый АЦП ток линейно уменьшится до 15 мкА (приблизительно в 100 раз), и, соответственно, частота пульсаций переключения ADP5300 сместится до 46.5 Гц (приблизительно в 100 раз), а их пиковая амплитуда, как видно из Рисунка 5, будет равна 55 мВ. Результат БПФ выходных пульсаций АЦП показывает пик на частоте 46 Гц, опять же, с амплитудой –120 дБ (5 мкВ пик-пик), поскольку в рассматриваемом диапазоне частот изменение PSRR очень невелико. На частоте 93 Гц отчетливо видна вторая гармоника с уровнем порядка –125 дБ.

Рисунок 5.	Пульсации переключения гистерезисного преобразователя ADP5300 (без постоянной составляющей) при питании AD7980 и спектр выходного сигнала АЦП при частоте выборки 10 квыб/с.

Рисунок 6 позволяет сравнить зависимости от частоты выборки АЦП эффективности ADP5300 и LDO при входном и выходном напряжениях 5 В и 2.5 В, соответственно. Как и следовало ожидать, КПД импульсного регулятора существенно выше, чем LDO – 90% против 50% на скорости 1 Мвыб/с при входном напряжении 5 В, – и при этом сохраняет намного лучшие значения при более низких частотах выборки и токах потребления, оставаясь на уровне выше 80% при 5 квыб/с.

Рисунок 6.	Зависимости КПД от частоты выборки АЦП при использовании преобразователя ADP5300 и LDO стабилизатора.

При частоте выборки АЦП, равной 1 Мвыб/с, схема с LDO регулятором потребляет от 5-вольтовой шины 1.5 мА или 7.5 мВт. При использовании ADP5300 ток, потребляемый от шины 5 В, равен 828 мкА, что соответствует 4.1 мВт. Таким образом, снижение мощности, потребляемой от источника питания АЦП, составляет 3.4 мВт, или 45%.

Характеристики AD7980 при частоте 1 Мвыб/с и при использовании микросхемы ADP5300 в качестве источника напряжения V_DD показаны на Рисунке 7 для входного сигнала 10 кГц с уровнем, почти равным полной шкале АЦП (–0.5 дБ). В части отношения сигнал/шум (91.5 дБ) и общих нелинейных искажений (–103 дБ) АЦП по прежнему не выходит за границы, установленные технической спецификацией. Однако на частоте 4.5 кГц пульсации переключения ADP5300 приобретают модуляцию, проявляющуюся в виде пиков на частотах 10 кГц – 4.5 кГц (5.5 кГц) и 10 кГц + 4.5 кГц (14.5 кГц). Уровень этих пиков все еще очень низок (–116 dBFS), и намного меньше общих нелинейных искажений, вносимых второй гармоникой основной частоты сигнала (–103.8 dBFS на частоте 20 кГц). Эти артефакты составляют лишь незначительную долю от уровня младшего разряда 16-битного АЦП, поэтому во многих приложениях использование ADP5300 для снижения потребляемой мощности вполне приемлемо.

Рисунок 7.	Характеристики AD7980 при использовании в качестве источника питания микросхемы ADP5300. Можно видеть боковые полосы, обусловленные модуляцией основной частоты сигнала (10 кГц ±4.5 кГц).

Предусмотренная в ADP5300 функция остановки генерации (STOP) может полностью удалить артефакты преобразования из спектра выходного сигнала АЦП. Высокий уровень на выводе STOP микросхемы ADP5300 блокирует выход SW, останавливая работу преобразователя. Этот режим может использоваться для быстрого выключения генератора на время выполнения чувствительного к шумам процесса преобразования в АЦП. Для этого выводы CNV и STOP соединяются вместе (см. Рисунок 3), и уровень сигнала CNV, вырабатываемого процессором, сохраняется активным (высоким) на все время преобразования АЦП. По истечении этого времени, максимальное значение которого для АЦП AD7980 равно 710 нс, передним фронтом CNV может запускаться преобразование. Результаты показаны на Рисунке 8. В этом случае частота пульсаций становится более изменчивой, так как узел SW может включаться лишь в определенные моменты времени. Заметьте также, что время включения выхода SW относительно заднего фронта сигнала STOP может составлять сотни наносекунд. На Рисунке 8 включение вывода SW происходит приблизительно через 850 нс после спадающего фронта сигнала STOP. Это означает, что использовать функцию STOP на частоте 1 Мвыб/с нельзя, поскольку стабилизация напряжения V_DD прекратится из-за того, что у вывода SW не будет достаточного времени для перехода в режим регулирования. По этой причине функция STOP применима лишь на скоростях, не превышающих 500 квыб/с.

Рисунок 8.	Пульсации переключения микросхемы ADP5300 (желтый цвет) при использовании функции STOP и частоте преобразования 500 квыб/с; сигнал CNV/STOP (синий) и вывод SW (розовый).

Как можно видеть из Рисунка 9, при использовании сигнала STOP шумовая дорожка АЦП полностью очищается от пиков пульсаций переключения. При частоте входного сигнала 10 кГц мы видим только нормальные гармоники основного сигнала, без модуляции и каких-либо артефактов. Однако звон на выводе SW при использовании режима STOP (когда сигнал STOP имеет высокий уровень) приводит к падению КПД. КПД ADP5300 при частоте выборки АЦП 500 кГц снижается примерно до 75%. Тем не менее, это все еще значительно выше, чем КПД с LDO регулятором (менее 50%), и дает возможность обмена характеристик на потребляемую мощность, для чего внешнему процессору или микроконтроллеру нужно выделить отдельную линию управления функцией STOP.

Рисунок 9.	Характеристики AD7980 при использовании ADP5300 в качестве стабилизатора напряжения питания шины VDD с функцией STOP, включаемой на время преобразования.

Цена и площадь печатной платы схемы, основанной на ADP5300, сравнимы тем, что требуется для LDO регулятора. Единственным дополнением к перечню компонентов является чип-индуктивность 2.2 мкГн, которая может иметь типоразмер всего 0603 – такой же, как у входного и выходного конденсаторов для варианта с LDO. В чувствительных к потребляемой мощности приложениях без повышенных требований к точности это делает импульсный преобразователь привлекательной альтернативой использованию LDO.

Высокоэффективные сверхмаломощные импульсные регуляторы подобные ADP5300 при питании прецизионных АЦП, таких как AD7980, от шины 5 В по сравнению с LDO могут сберечь до 45% мощности. Это имеет множество преимуществ в приложениях Интернета вещей, увеличивая срок службы батарей в беспроводных сенсорных узлах или носимых устройствах для фитнеса, в изолированных промышленных устройствах с повышенными требованиями к энергоэффективности и в системах, получающих питание от токовой петли 4-20 мА.

Материалы по теме