Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2016
Erjon Qirko и Kris Lokere, Linear Technology
Design Note 1039
Введение
Особенностями операционного усилителя (ОУ) LT6018 являются ультранизкие шумы (1.2 нВ/√Гц на частоте 1 кГц) и сверхнизкие искажения (–115 дБ на частоте 1 кГц). Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания этой микросхемы равно 15 МГц, максимальное напряжение смещения 50 мкВ и максимальный температурный дрейф напряжения смещения составляет 0.5 мкВ/°C. Такое сочетание параметров позволяет использовать усилитель для управления различными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) высокого разрешения. В этой статье будет представлена схема и стратегия ее оптимизации, позволяющая получить наилучшие значения отношения сигнал/шум и суммарных гармонических искажений (THD) при использовании усилителя LT6018 для управления высокоскоростными 18- и 20-битными АЦП последовательных приближений.
Ультралинейный 20-битный АЦП
На Рисунке 1 изображена видоизмененная схема демонстрационной платы DC2135A, в которой ОУ LT6018 (вместо LT1468) управляет 20-битным АЦП последовательных приближений LTC2378-20. Отличительной особенностью LTC2378-20 является непревзойденная линейность – 2 ppm. Лучшим способом формирования дифференциального сигнала, сохраняющим линейность схемы, будет применение точно согласованных резисторов матрицы LT5400, используемой в демонстрационной плате. Подробное описание теории работы показанной на Рисунке 1 схемы, в которой LT1468 управляет АЦП LTC2377-20, можно найти в [1].
 |
||
| Рисунок 1. | Принципиальная схема демонстрационной платы DC2135A. | |
Для измерения линейности схемы на вход подается сверхчистый синусоидальный сигнал, а над выходным сигналом производится вычисление быстрого преобразования Фурье (БПФ). Результат измерения суммарных гармонических искажений служит приближенной оценкой интегральной нелинейности схемы. При частоте дискретизации АЦП 800 кГц мы используем входной сигнал с частотой 100 Гц (слегка подстроенной, чтобы гарантировать когерентность выборки, смягчающую числовые ограничения БПФ).
В оригинальной демонстрационной схеме непосредственно после операционного усилителя включен RC-фильтр нижних частот, удаляющий избыточные высокочастотные шумы. Спектральная плотность шумов LT6018 остается относительно низкой даже на высоких частотах, поэтому влияние исключения этого фильтра из схемы на общий шум будет пренебрежимо малым. При отсутствии фильтра заметно улучшается линейность (измеренная на основе THD), так как преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный теперь полностью определяется точно согласованными резисторами микросхемы LT5400, и не зависит от каких-либо плохо подобранных дискретных компонентов.
Низкая плотность шумов микросхемы LT6018 позволяет использовать ее в схемах усиления сигналов. При коэффициенте усиления 10 размах сигнала увеличивается на 20 дБ, в то время как отношение сигнал/шум относительно полной шкалы ухудшается только на 2 дБ. Если уровни входных сигналов малы, улучшение эффективного отношения сигнал/шум при такой конфигурации составит 18 дБ. Как и ожидалось, линейность уменьшается на столько же, насколько снижается петлевое усиление, или приблизительно на 20 дБ.
Результаты представлены в Таблице 1.
| Таблица 1. | Результаты измерений отношения сигнал/шум и THD; LT6018 управляет АЦП LTC2378-20 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Управление быстродействующим 18-битным АЦП
18-битный АЦП последовательных приближений LTC2387-18 может производить выборки входного сигнала с частотой до 15 Мвыб/с. При такой скорости внутренний запоминающий конденсатор АЦП подключается к выходу усилителя менее чем на 30 нс («время выборки»). В течение этого времени схемы усилителя (и фильтра) должны восстановиться после выброса обратного заряда и восполнить заряд конденсатора выборки, чтобы АЦП мог выполнить корректное измерение в следующем цикле преобразования. Разумеется, это требует тщательной оптимизации цепей усилителя и фильтра.
На Рисунке 2 две микросхемы LT6018, образующие повторители с единичным усилением, подключены к демонстрационной плате LTC2387-18, на которой предусмотрены посадочные места для резисторов и конденсаторов входного фильтра АЦП.
 |
||
| Рисунок 2. | LT6018 управляет АЦП LTC2387-18, используя демонстрационную плату DC2290A-A. | |
В Таблице 2 обобщены результаты измерений отношения сигнал/шум и THD, выполненных при чистом синусоидальном сигнале частотой 1.008 кГц с помощью АЦП, работающего на когерентной частоте 14.680 Мвыб/с. В первой строке таблицы показаны результаты, полученные с быстродействующим малошумящим усилителем LT6200. Использовалась конфигурация фильтра с полосой порядка 200 МГц, по умолчанию установленная на демонстрационной плате. Это позволяет полностью восстановить состояние схемы после выброса обратного заряда АЦП и получить отличное значение THD, равное –120 дБ. Однако отношение сигнал/шум здесь на 2 дБ хуже, чем достижимое для АЦП значение 96 дБ.
| Таблица 2. | Результаты измерений отношения сигнал/шум и THD; LT6018 управляет АЦП LTC2387-18 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Полоса пропускания ОУ LT6018 уже, чем у LT6200, зато точность по постоянному току (смещение и дрейф) намного выше. Однако простая замена в схеме LT6200 на LT6018 существенно ухудшает отношение сигнал/шум и THD. Причина деградации шумовых характеристик заключается в том, что плотность шумов усилителя за верхней границей его полосы пропускания может быть больше, чем до нижней, и эти шумы, если их не фильтровать, будут проникать в АЦП. THD снижается вследствие меньшего быстродействия усилителя, не успевающего восстановиться после попадании в него полного обратного заряда АЦП, остатки которого оцифровываются и становятся источником нелинейности.
Широкополосные шумы усилителя мы можем отфильтровать, увеличив номиналы резисторов и конденсаторов и включив дифференциальный конденсатор между двумя входами АЦП. Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум практически до 96 дБ – теоретического максимума для этого АЦП, и, соответственно, не принимать в расчет суммарные шумы усилителя. Кроме того, внеся асимметрию в конфигурацию фильтра путем уменьшения сопротивления последовательных резисторов и увеличения емкости конденсаторов, можно ослабить начальный эффект обратного выброса заряда, что существенно снизит уровень гармонических искажений, которые станут значительно меньше –100 дБ.
Заключение
В современных АЦП последовательных приближений сочетаются низкие уровни шумов, высокая линейность и малое смещение постоянной составляющей. Для использования потенциала этих характеристик требуются усилители с аналогичными параметрами смещения, шумов и полосы пропускания, подобные усилителю LT6018. Для АЦП среднего быстродействия (например, для 20-битного LTC2378-20 со скоростью 1 Мвыб/c) сформировать дифференциальный входной сигнал без использования дополнительной фильтрации можно на основе ОУ LT6018 в сочетании с матрицей точно согласованных резисторов LT5400. В случае ультрабыстрых АЦП (таких, как 18-битный LTC2387-18 со скоростью 15 Мвыб/c) при тщательной оптимизации RC фильтра между ОУ и АЦП можно получить отличные шумовые характеристики и высокую линейность.
Купить LT1637 на РадиоЛоцман.Цены
