Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Каждый цифро-аналоговый преобразователь на основе ШИМ (ШИМ ЦАП) нуждается в аналоговой фильтрации, чтобы отделить желаемую постоянную составляющую, пропорциональную коэффициенту заполнения ШИМ, от нежелательных пульсаций. Самым простым способом является использование элементарного RC-фильтра нижних частот, пиковая амплитуда пульсаций V_RIP на выходе которого и максимальное выходное напряжение V_FS (для наихудшего случая при 50-процентном коэффициенте заполнения импульсов ШИМ) связаны соотношением

где T_PWM – период импульсов ШИМ, и RC > T_PWM.

Очевидный конструктивный компромисс заключается в том, что, хотя, выбрав достаточно большое произведение RC, можно достичь любой желаемой степени ослабления пульсаций, время установления соответственно ухудшится. Например, если мы (достаточно логично) выберем определение полосы установления как диапазон между пиками пульсаций, то время установления T_STL будет равно:

Следствия, вытекающие из этого соотношения, можно проиллюстрировать для 8-битного случая:

Пусть

Тогда

что, даже для довольно быстрой ШИМ 32 кГц (T_PWM = 31 мкс) предсказывает ледниковое время установления 11 мс.

Очевидно, что если время установления является критическим параметром конструкции, нам нужно добиться большего успеха и найти не столь упрощенную схему фильтрации. Крайности, к которым можно прийти, двигаясь в этом направлении, иллюстрирует моя предыдущая статья [1].

Но не для всякого приложения, которое не может выдержать черепашьей скорости 355•T_PWM, необходимо или оправдано такое сложное решение для фильтрации. Представленная здесь идея ориентирована на промежуточные приложения. Как показано на Рисунке 1, базовый фильтр нижних частот R1/C1 дополнен инвертором и элементами R2 и C2, сочетание которых инвертирует и вычитает из полезного сигнала (бóльшую часть) нежелательной переменной составляющей, оставляя относительно чистый аналоговый сигнал со временем установления намного меньшим, чем у простого RC-фильтра.

Рисунок 1.	Схема подавителя пульсаций ШИМ ЦАП и временные диаграммы сигналов.

Но насколько чисто «относительно чисто» и насколько быстро «намного меньше»? Если выбрать R2 = R1 и C2 = C1, значения пульсаций и времени установления для новой схемы будут следующими:

Обращаясь опять к 8-битному случаю (графически проиллюстрированному на Рисунке 1), пусть

Тогда

С возведенным в квадрат отношением амплитуд при частоте 32 кГц установление происходит в 16 раз быстрее!

Для многих приложений это представляет собой очень выгодный компромисс между незначительным увеличением сложности схемы и существенным улучшением характеристик ШИМ ЦАП.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Снижение уровня пульсаций выходного напряжения ШИМ-ЦАП с помощью синхронного фильтра