Подавление пульсаций ШИМ ЦАП и помех по цепям питания

Несколько лет назад я опубликовал статью «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1], демонстрирующую простой прием для подавления пульсаций на выходе ШИМ (см. Рисунок 1). В нем используется пассивное суммирование обычного ШИМ сигнала с его инверсией, связанной по переменному току, что значительно ослабляет нежелательную составляющую переменного тока (пульсации), не влияя на полезную постоянную составляющую.

Рисунок 1.	Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием.

К счастью, «Подавитель …» в целом был хорошо принят читателями. Для него даже нашлось несколько страниц в очередном издании популярной книги «Искусство схемотехники» авторов Уинфилда Хилла и Пола Горовица, которые внесли в эту схему некоторые потрясающие усовершенствования.

Одно из улучшений Хилла и Горовица было связано с тем фактом, что точность ШИМ ЦАП, как правило, ограничивается зависимостью от источников питания цифровой логики, которые, как справедливо отмечают Хилл и Горовиц, «заведомо неточны». Их хитроумное решение (см. Рисунок 2) состоит в том, чтобы к обычной схеме ШИМ добавить прецизионные аналоговые коммутаторы и точный источник опорного напряжения (ИОН), и тем самым изолировать выход ЦАП от неточности напряжения V_LOGIC источника питания логики. Один коммутатор формирует точную версию обычного сигнала ШИМ, а другой – его инверсию. Добавлением переменной составляющей последнего к постоянному напряжению первого реализуется аналоговое вычитание с подавлением пульсаций, как описано в моей статье от 2015 года.

Рисунок 2.	Эскиз концепции улучшения точности ШИМ, предложенной Хиллом и Горовицом.

Это, безусловно, элегантное, вполне работоспособное и эффективное решение проблемы точности ШИМ.

Однако, поскольку для каждого ЦАП необходимы два корпуса аналоговых коммутаторов, в случае, если потребуется несколько каналов ШИМ ЦАП, количество корпусов может стать неудобно большим. Кроме того, по мере увеличения количества каналов растет общая нагрузка на источник напряжения V_REF, что, в зависимости от используемой микросхемы ИОН, может в конечном итоге снизить точность опорного напряжения.

Поэтому на Рисунке 3 показан упрощенный вариант схемы на Рисунке 2, в котором для получения сигнала подавления пульсаций используется управляющий сигнал логики ШИМ, благодаря чему экономится аналоговый ключ и вдвое снижается нагрузка на источник V_REF. Это требует масштабирования номиналов компонентов вычитания пульсаций R2C2 с коэффициентом, равным отношению V_LOGIC/V_REF, что, конечно, будет работать только до тех пор, пока это отношение стабильно. Обратите также внимание, что уставка ШИМ должна быть дополнением до единицы (V = –V – 1), что легко реализуется программным способом.

Рисунок 3.	Используемый для подавления пульсаций логический сигнал ШИМ позволяет сократить количество коммутаторов.

В случае если напряжение V_LOGIC недостаточно стабильно для работы схемы на Рисунке 3, можно воспользоваться еще одной реализацией концепции повышения точности Хилла и Горовица, показанной на Рисунке 4, в которой используется метод точного отслеживания соответствия площади импульса (произведения амплитуды на длительность и на частоту) точному опорному напряжению, как показано в другой недавней статье [2] в контексте аналого-цифрового преобразования с помощью ПНЧ.

Схема на Рисунке 4 основана на способности регулируемых источников опорного напряжения, таких как TL431, выполнять функцию аналоговых компараторов/ интеграторов с точными значениями внутренних порогов, как показано на Рисунке 5.

TL431 (U1) интегрирует среднюю разность между напряжением на выводе 2 микросхемы U2 и своим внутренним опорным напряжением 2.50 В и обеспечивает равенство этих значений, увеличивая длительность импульса Q₂, когда площадь импульса, равная произведению тактовой частоты F_CLK на длительность импульса T_Q2 и на 5 В меньше 2.5 В, и уменьшая ее, когда она превышает 2.5 В. Элементы R1 и C4 задают постоянную времени интегрирования, резистор R4 обеспечивает компенсацию входного тока смещения микросхемы U1 (равного примерно 1.8 мкА), а R5 служит для подтяжки выхода U1.

Рисунок 4.	Площадь импульса Q2 поддерживается равной опорному напряжению.

Согласованность параметров внутренних устройств микросхемы U2 (времена распространения, нарастания и т. д.) заставляет остальные три канала точно отслеживать состояние внутреннего триггера контура обратной связи U2, тем самым, обеспечивая точную калибровку для всех трех каналов ШИМ. Соответствующие RC-цепи реализуют подавление пульсаций, и если используются все три, работа трех точных ЦАП обеспечивается лишь двумя корпусами микросхем.

Конечно, если требуется менее трех каналов, все три цепи подавления пульсаций будут не нужны.

Рисунок 5.	LT431 в качестве точного компаратора/усилителя разностных сигналов с встроенным источником опорного напряжения VREF (из технического описания TL431).

Ссылки

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием
2. Stephen Woodward. Два D-триггера обеспечивают высокое быстродействие и точность ПНЧ

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments 1P1G3157QDBVRQ1
2. Datasheet Texas Instruments SN74HC175
3. Datasheet Diodes TL431