Преобразование несимметричного сигнала с помощью дифференциального АЦП семейства PulSAR

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016

Analog Devices

Circuit Note CN-0032

Функции и преимущества схемы

Во многих приложениях несимметричный входной сигнал – либо однополярный, либо двуполярный – бывает необходимо преобразовать с помощью АЦП высокого разрешения, имеющего дифференциальные входы. Эта схема со связью по постоянному току преобразует несимметричный входной сигнал в дифференциальный, пригодный для управления 18-битным АЦП AD7982 с быстродействием 1 Мвыб/с, входящим в семейство PulSAR. В схеме использован драйвер-преобразователь несимметричного сигнала в дифференциальный ADA4941-1 и ультра малошумящий источник опорного напряжения ADR435 с номинальным напряжением 5.0 В. Схема может преобразовывать множество видов несимметричных входных сигналов, включая биполярные или однополярные в диапазоне от высокого напряжения до низкого. Благодаря связи по постоянному току полоса пропускания схемы не ухудшается. Для тех случаев, когда требуется сэкономить площадь печатной платы, все микросхемы, показанные на Рисунке 1, можно приобрести в миниатюрных корпусах LFCSP с размерами 3 мм × 3 мм или MSOP с размерами 3 мм × 5 мм.

Рисунок 1.	Упрощенная схема драйвера-преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный со связью по постоянному току.

Описание схемы

Диапазон дифференциальных входных напряжений AD7982 устанавливается напряжением на выводе REF. При V_REF = 5 В этот диапазон сигналов равен ±V_REF или ±5 В. Коэффициент усиления (или ослабления) сигнала от несимметричного входа V_IN до вывода OUTP на выходе ADA4941-1 задается отношением сопротивлений резисторов R2 и R1. Отношение R2 к R1 должно быть равно отношению V_REF к пиковому входному напряжению V_IN. Если несимметричное входное напряжение равно 10 В пик-пик и V_REF = 5 В, то отношение R2 к R1 должно равняться 0.5. Сигнал на выходе OUTP инвертируется (усиление равно –1) верхней половиной микросхемы ADA4941-1, питающей противоположную фазу выходного сигнала на выводе OUTN. Абсолютное значение сопротивления R1 определяет входной импеданс схемы. Конденсатор обратной связи C_F выбирается в соответствии с требуемой полосой пропускания сигнала на основании приближенной формулы

20-омные резисторы и конденсаторы 2.7 нФ выполняют функции однополюсных фильтров нижних частот с полосой 3 МГц.

Резисторами R3 и R4 устанавливают синфазное напряжение на входе IN– микросхемы AD7982. Величина этого синфазного напряжения равна

где

Резисторы R5 и R6 устанавливают синфазное напряжение на входе IN+ АЦП. Это напряжение равно

Синфазное напряжение АЦП, равное V_OFFSET1, должно быть как можно ближе к V_REF/2. Это означает, что R5 = R6. В Таблице 1 показаны некоторые сопротивления резисторов из стандартного ряда 1%, которые можно использовать для распространенных диапазонов входных напряжений.

Таблица 1.	Номиналы элементов и напряжения в узлах схемы для распространенных значений входных напряжений
VIN (В) VOFFSET1 (В) VOFFSET2 (В) OUTP (В) OUTN (В) R1 (кОм) R2 (кОм) R4 (кОм) R3, R5, R6 (кОм) +20, –20 2.5 2.203 –0.01, 4.96 5.0, 0.04 8.06 1.00 12.70 10.00 +10, –10 2.5 2.000 0.01, 4.99 4.99, 0.01 4.02 1.00 15.0 10.00 +5, –5 2.5 1.667 0.00, 5.00 5.00, 0.00 2.00 1.00 20.0 10.00

Обратите внимание, что ADA4941-1 питается напряжениями +7 В и –2 В. Поскольку сигнал на каждом выходе должен изменяться от 0 В до 5 В, напряжение положительного источника питания следует выбрать на несколько сотен милливольт большим, чем +5 В, а отрицательного – на несколько сотен милливольт более отрицательным, чем 0 В. Для этой схемы были выбраны напряжения питания +7 В и –2 В. Кроме того, +7 В обеспечивают достаточный запас по питанию для микросхемы ADR435. Можно использовать и другие напряжения, при условии, что абсолютный максимум общего напряжения питания AD4941-1 не превышает 12 В и при соблюдении требований по запасу питания ADR435.

Вывод V_DD микросхемы AD7982 подключают к источнику питания 2.5 В, в то время как напряжение питания V_IO (на Рисунке 1 не показано), в зависимости от уровней сигналов логического интерфейса ввода/вывода, выбирают из диапазона от 1.8 В до 5 В. Эта схема нечувствительна к последовательности подачи питающих напряжений. В условиях кратковременных перенапряжений входы AD7982 могут выдерживать максимальные токи до ±130 мА.

Совместимый с SPI последовательный интерфейс АЦП AD7982 (на Рисунке 1 не показан) позволяет, используя входы SDI и выходы SDO, последовательно соединять несколько АЦП в одну 3-проводную шину с дополнительной возможностью индикации состояния занятости. Отдельный вывод питания V_IO обеспечивает совместимость интерфейса с логическими уровнями 1.8 В, 2.5 В, 3 В и 5 В. Для получения требуемых характеристик описанной здесь схемы должна быть безупречно разведена печатная плата и использованы все методы развязки питания. Печатная плата должна иметь, как минимум, четыре слоя: один слой земли, один слой питания и два сигнальных слоя.

Между всеми выводами питания микросхем и слоем земли печатной платы необходимо подключить малоиндуктивные многослойные керамические конденсаторы емкостью от 0.01 мкФ до 0.1 мкФ (на Рисунке 1 для простоты не показаны). Строго соблюдайте рекомендации, приведенные в техническом описании каждого компонента.

Распространенные варианты

В семейство ADR43x выпускаются микросхемы с различными опорными напряжениями, любую из которых можно подключать к АЦП.

Материалы по теме