Выполнять АЦП свою работу обычно помогают различные функции предварительной обработки входных сигналов. К ним относятся инструментальные усилители (instrumentation amplifiers, INA), цифровое программируемое усиление (digitally programmable gain, DPG), а также выборка и хранение. Схема на Рисунке 1 немного нетипична, поскольку объединяет все три функции в единую конструкцию, синхронизируемую одним логическим сигналом ШИМ.
Дифференциальный вход на основе INA на Рисунке 1 начинается традиционно – с КМОП-повторителей U1a и U1b с тераомными входными сопротивлениями и пикоамперными смещениями. Операционные усилители семейства 916x являются довольно хорошими rail-to-rail устройствами для этой работы с входным смещением менее милливольта, подавлением синфазного сигнала (CMR) 110 дБ, произведением усиления на полосу пропускания 11 МГц, скоростью нарастания 33 В/мкс и временем установления менее микросекунды. Кроме того, они недороги. Однако превращение этих усилителей в дифференциальную входную цепь с высоким CMR делает эту схему нетрадиционной. Помогает здесь «плавающий конденсатор».
 |
|
| Рисунок 1. | Две стандартные микросхемы и пять пассивных компонентов образуют универсальный и нетрадиционный входной интерфейс АЦП. |
Когда сигнал ШИМ находится в состоянии «лог. 0», оба вывода конденсатора C через коммутаторы U2a и U2b подключены к выходам повторителей с единичным усилением, CMR которых ограничен только характеристиками усилителей: 110 дБ = 300,000:1. В отличие от типичного прецизионного дифференциального входа INA, согласованность резисторов здесь некритична. Для точного захвата и установления входного сигнала достаточно интервала длительностью в одну-две микросекунды. Когда вход ШИМ переходит в состояние «лог. 1», один конец C заземляется (через U2b), а другой становится источником несимметричного входного сигнала для U1c (через U2a). Далее все становится еще менее обычным.
Образовавшееся соединение выхода U1c с конденсатором C через U2a и R1 создает положительную обратную связь, которая заставляет напряжение VC на конденсаторе C умножаться на экспоненту с (отрицательной) постоянной времени:
TC = (R1 + RU2)·C = (14.3 кОм + 130 Ом)·0.001 мкФ = 14.43 мкс = 10 мкс/ln(2),
где RU2 – сопротивление замкнутого ключа микросхемы U2.
Благодаря коэффициенту усиления U1c, равному R3/R2 + 1 = 2, ток от VC через резистор R1 составляет:
Таким образом, сопротивление R1 становится фактически отрицательным, что делает постоянную времени R1C отрицательной, и для любого времени T после перехода сигнала ШИМ от «лог. 0» к «лог. 1» имеет место знакомый экспоненциальный спад
который с отрицательным R1 становится
Таким образом, с учетом того, что коэффициент усиления U1c равен 2,00, получаем
Например, если используется 7-битная ШИМ частотой 1 МГц, то каждое увеличение длительности периода «лог. 1» на 1 мкс будет соответствовать увеличению коэффициента усиления на 20.1 = 1.072 = 0.60 дБ. Следовательно, 100 приращений ШИМ создадут усиление
Наличие 100 доступных программируемых настроек усиления – полезная и необычная функция.
Обратите внимание, что R1 и C должны быть точными с низкими температурными коэффициентами, такими как металлопленочные и C0G, чтобы зависимость усиления от времени была точной и стабильной. Цепь R1C, определяющая спад с постоянной времени 14.43 мкс и соответствующей частотой среза 11 кГц, взаимодействует с усилителем U1c, имеющим произведение усиления на полосу пропускания 11 МГц, обеспечивая усиление при замкнутой цепи обратной связи, равное примерно в 60 дБ. Этого достаточно для 10-битной точности выборки.
Во время этой фазы экспоненциального усиления, когда сигнал ШИМ имеет уровень «лог. 1», коммутатор U2c заставляет выходной конденсатор и усилитель U1d отслеживать напряжение VC, которое выбирается и удерживается для ввода в подключенный АЦП во время последующей фазы, когда ШИМ возвращается к «лог. 0». В то время как входная часть схемы производит следующую выборку.
Купить TLV9164 на РадиоЛоцман.Цены
