Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2015
Guy Hoover, Linear Technology
Design Note 541
Операционные усилители (ОУ), используемые для управления 18-битными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), как правило, потребляют столько же тока, сколько и сам АЦП, а их смещение нередко значительно превышает смещение АЦП. Когда же необходимо управлять несколькими каналами АЦП, рассеиваемая мощность резко увеличивается и достигает неприемлемых уровней.
Если требуется 18-битная точность, но высокая скорость выборки не нужна, и частота входных сигналов мала, для управления 18-битным 8-канальным АЦП LTC2348-18 с одновременной выборкой может использоваться описываемый в статье буфер. При этом основные характеристики схемы, определяющие ее точность, такие как отношение сигнал/шум, общие гармонические искажения (THD) и смещение, будут соответствовать типовым техническим спецификациям на LTC2348-18, а рассеиваемая мощность будет очень низкой.
Описание схемы
LTC2348-18 – это 8-канальный 18-битный АЦП последовательных приближений с одновременной выборкой и широким диапазоном синфазных входных напряжений. В полном диапазоне входных сигналов ±10.24 В типовые значения THD и отношения сигнал/шум равны, соответственно, –109 дБ и 96.7 дБ, а напряжение смещения не превышает ±550 мкВ. Типовая мощность, потребляемая микросхемой на максимальной частоте 200 тысяч выборок в секунду (kSPS), равна 140 мВт. При работе в описываемом приложении на скорости 10 kSPS типовая мощность рассеивания АЦП в случае использовании режима «дремоты» (NAP) падает до 45 мВт.
LT6020 представляет собой сдвоенный микромощный прецизионный ОУ со скоростью нарастания 5 В/мкс. входным напряжением смещения менее 30 мкВ и максимальным током потребления всего 100 мкА на усилитель.
На Рисунке 1 показан ОУ LT6020 в конфигурации неинвертирующего буфера, управляющий аналоговыми входами LTC2348-18. Максимальная мощность, рассеиваемая каждым ОУ, равна всего 3 мВт. Для всех восьми каналов это добавляет лишь 24 мВт, что составляет примерно половину от мощности, рассеиваемой АЦП на скорости 10 kSPS.
 |
|
| Рисунок 1. | Буфер LT6020, управляющий 8-канальным АЦП последовательных приближений LTC2348-18. |
RC-фильтр на выходе буфера минимизирует вклад шума LT6020 и снижает помехи выборки, создаваемые входным мультиплексором и запоминающим конденсатором. Для выбранной постоянной времени RC величину сопротивления R следует брать насколько возможно малой, чтобы уменьшить падение напряжения на резисторе. Это приведет к ошибке усиления, если выходному сигналу фильтра не хватит времени для полного установления. В то же время, сопротивление резистора R должно быть достаточно большим, чтобы не допустить возникновения звона на выходе ОУ, увеличивающего искажения и время установления.
 |
|
| Рисунок 2. | БПФ массива из 8192 выходных значений для схемы на Рисунке 1. |
LTC2348-18 может работать в двух различных режимах. В первом, полностью дифференциальном режиме, для обоих аналоговых входов каждого канала требуется отдельный усилитель. Во втором режиме, псевдо-дифференциальном, управлять нужно только одним аналоговым входом, поскольку второй вход заземляется. Второй режим использован в схеме на Рисунке 1. Псевдо-дифференциальный режим позволяет сократить количество необходимых компонентов и снизить потребляемую мощность. Недостатком использования этого режима является значительный рост интегральной нелинейности.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость отношения сигнал/шум и THD от скорости выборки для схемы на Рисунке 1. |
Характеристики схемы
На Рисунке 2 можно увидеть результат БПФ, выполненного для массива из 8192 выходных значений LTC2348-18 в псевдо-дифференциальном включении при управлении буфером LT6020 (Рисунок 1). При частоте выборки 10 ksps THD составляет –109 дБ а отношение сигнал/шум равно 95.8 дБ, что практически не отличается от типовых значений, указанных в справочных данных на микросхему LTC2348-18. На Рисунке 3 показаны зависимости отношения сигнал/шум и общих нелинейных искажений (THD) от скорости выборки. Как можно видеть, кривая зависимости отношения сигнал/шум остается довольно плоской в районе 96 dBFS (децибел относительно полной шкалы), а рост THD начинается от уровня –108 дБ.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость отношения сигнал/шум и THD от частоты входного сигнала для схемы на Рисунке 1. |
Рисунок 4 иллюстрирует зависимость отношения сигнал/шум и THD от частоты входного сигнала. Как сигнал/шум, так и THD, начиная с частоты 100 Гц, медленно ухудшаются относительно типовых значений, указанных в справочных данных на микросхему LTC2348-18, и на частоте 1 кГц отношение сигнал/шум падает до 94 dBFS, а THD увеличиваются до –85 дБ. На Рисунок 5 изображена зависимость суммарной ошибки смещения, вносимой драйвером LT6020 и АЦП, от частоты выборки. Первоначальное смещение находится на уровне менее единицы младшего разряда (LSB), и начинает ухудшаться, когда частота выборке превысит 10 kSPS.
 |
|
| Рисунок 5. | Зависимость суммарной ошибки смещения, вносимой драйвером LT6020 и АЦП, от частоты выборки для схемы на Рисунке 1. |
Заключение
Простой драйвер 18-битного АЦП LTC2348-18, состоящий из микросхемы маломощного прецизионного сдвоенного ОУ LT6020, включенного в конфигурации неинвертирующих буферов, рассеивает всего 3 мВт (максимум) на один канал, а сам АЦП при частоте выборки 10 ksps потребляет мощность 45 мВт. При частоте выборки 10 ksps измеренное отношение сигнал/шум равно 95.8 дБ, THD составляет –109 дБ, а измеренное смещение не достигает даже одной единицы младшего разряда.
