Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2015
Guy Hoover, Linear Technology
Design Note 1034
Введение
Для буферизации входных сигналов современных 16- и 18-битных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) требуются быстродействующие операционные усилители (ОУ), рассеивающие, как правило, такую же мощность, как и сами АЦП, и часто имеющие напряжение смещения порядка 1 мВ, намного превышающее аналогичный параметр АЦП. Если в системе должны работать несколько многоканальных АЦП, рассеиваемая ими мощность может быстро достичь неприемлемых уровней.
Описываемый в этой статье простой буфер способен при очень низком потреблении мощности управлять 8-канальным АЦП LTC2372-18, обеспечивая значения смещения и общих гармонических искажений (THD), а также отношение сигнал/шум (SNR) близкие к величинам, указанным в справочных данных на АЦП.
Описание схемы
Микросхема малошумящего 8-канального 18-битного АЦП последовательных приближений LTC2372-18 имеет максимальную скорость выборки 500 Квыб/с. При питании от источника 5 В типовое значение THD АЦП LTC2372-18 достигает –110 дБ, а типовое отношение сигнал/шум – 100 дБ и 95 дБ в полностью дифференциальном и в псевдо дифференциальном режимах, соответственно, при смещении не более ±11 LSB (единиц младшего разряда) и типовом потреблении 27 мВт.
LT6016 – это сдвоенный ОУ с входами rail-to-rail, максимальным входным смещением менее 50 мкВ и типовым током потребления 315 мкА на один усилитель. Доступны также одно- и четырехканальные версии – LT6015 и LT6017.
В схеме на Рисунке 1 ОУ LT6016, включенный в конфигурации неинвертирующего буфера, управляет аналоговыми входами LTC2372-18. Типовая мощность, рассеиваемая каждым усилителем, равна всего 3.7 мВт. Следовательно, мощность, потребляемая восемью каналами, составить лишь 30 мВт – примерно столько же, сколько потребляет микросхема АЦП. При питании LT6016 от одного источника 5.25 В и включенном режиме цифровой компрессии АЦП общая мощность, потребляемая ОУ, ценой лишь незначительного ухудшения отношения сигнал/шум, может быть снижена более чем вдвое до уровня 13 мВт.
 |
|
| Рисунок 1. | Буфер LT6016 управляет 8-канальным АЦП последовательных приближений LTC2372-18. |
RC-фильтры на выходах буферов минимизируют шумовой вклад микросхем LT6016 и снижают эффекты выброса заряда, создаваемые мультиплексором и входным запоминающим конденсатором АЦП.
Характеристики схемы
Рисунок 2 иллюстрирует результат БПФ, выполненного над выборкой из 32768 отсчетов АЦП LTC2372 18 при полностью дифференциальном управлении, соответствующем схеме на Рисунке 1. При частоте выборки 400 Квыб/с отношение сигнал/шум равно 98.5 dBFS (децибел полной шкалы), а THD не превышает –114 дБ, что хорошо согласуется с типовыми характеристиками из технических спецификаций LTC2372-18.
 |
|
| Рисунок 2. | 32768-точечное быстрое преобразование Фурье для схемы на Рисунке 1. |
Ниже в Рисунках 3, 4 и 6 будут использованы обозначения:
PD – псевдо дифференциальный режим;
FD – полностью дифференциальный режим;
PD GC – псевдо дифференциальный режим, компрессия включена;
FD GC – полностью дифференциальный режим, компрессия включена;
FS – частота выборки;
AIN – амплитуда входного сигнала;
fIN – частота входного сигнала.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость отношения сигнал/шум от частоты выборки для схемы на Рисунке 1 в псевдо дифференциальном и полностью дифференциальном режимах. |
На Рисунке 3 приведена зависимость отношения сигнал/шум от частоты выборки для псевдо- и полностью дифференциальных режимов LTC2372-18 при выключенной цифровой компрессии. При отключенной компрессии для питания LT6016 используются напряжения +8 В/–3.6 В, в то время как при включенной компрессии достаточно одного источника 5 В. Кривая отношения сигнал/шум на частотах выборки до 500 Квыб/с остается довольно плоской, располагаясь возле уровня 94 dBFS в псевдо дифференциальном режиме и возле 98.5 dBFS в полностью дифференциальном режиме при отключенной цифровой компрессии, а при включенной компрессии эти уровни составляют 92.1 dBFS и 96.6 dBFS, соответственно.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость полных гармонических искажений от частоты выборки для схемы на Рисунке 1 в псевдо дифференциальном и полностью дифференциальном режимах при включенной и выключенной цифровой компрессии. |
На Рисунке 4 представлена зависимость полных гармонических искажений от частоты выборки для псевдо- и полностью дифференциальных режимов LTC2372-18 при выключенной цифровой компрессии. Рост THD выше –110 дБ начинается после частоты выборки 300 Квыб/с для псевдо дифференциального режима, а для полностью дифференциального режима – после частоты 400 Квыб/с от уровня –115 дБ. На общий уровень гармонических искажений сжатие динамического диапазона оказывает минимальное влияние. В полностью дифференциальном режиме THD никогда не выходит за пределы –100 дБ в полном диапазоне скоростей выборки LTC2372-18 до 500 Квыб/с.
 |
|
| Рисунок 5. | Зависимость ошибки смещения от частоты выборки для схемы на Рисунке 1 в псевдо дифференциальном режиме. |
На Рисунке 5 показана зависимость суммарной ошибки смещения буфера и АЦП от частоты выборки в псевдо дифференциальном режиме при отключенной цифровой компрессии. Смещение, имеющее на начальном участке уровень менее 3 LSB, не ухудшается до тех пор, пока скорость выборки не достигнет 400 Квыб/с.
 |
|
| Рисунок 6. | Зависимость искажений от частоты входного сигнала для схемы на Рисунке 1. |
На Рисунке 6 изображена зависимость искажений от частоты входного сигнала при скорости выборки 400 Квыб/с. Как можно видеть, на частотах выше 1 кГц искажения увеличиваются во всех режимах.
Заключение
Описан простой драйвер 8-канального 18-битного АЦП последовательных приближений LTC2372-18 со скоростью выборки до 500 Квыб/с, сделанный на основе ОУ LT6016, включенного неинвертирующим буфером. Типовая мощность, потребляемая каждым каналом ОУ, равна 3.7 мВт, и может быть снижена до 1.6 мВт при питании LT6016 от одного источника в случае работы АЦП в режиме цифровой компрессии.
На частотах выборки менее 300 Квыб/с измеренные значения отношения сигнал/шум при выключенной компрессии составили 94 dBFS и 98.5 dBFS в псевдо дифференциальном и полностью дифференциальном режимах, соответственно, а для тех же режимов при включенной цифровой компрессии – 92.1 dBFS и 96.6 dBFS. Измерения THD, независимо от компрессии сигнала АЦП, дали значение –110 дБ в псевдо дифференциальном режиме и –115 дБ в полностью дифференциальном режиме. Измеренные при отключенной компрессии значения смещения в псевдо дифференциальном режиме находились ниже уровня 3 LSB. На скоростях свыше 300 Квыб/с характеристики схемы начинают постепенно ухудшаться, падая вплоть до максимальной для LTC2372-18 скорости 500 Квыб/с.
