Драйвер аналого-цифрового преобразователя
Потребность в преобразовании аналоговых сигналов, и конкретно в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) для данных операций, продолжает расти по мере того, как датчики становятся все более распространенными как в промышленности, так и в быту. Ожидается, что рынок датчиков будет расти в годовом исчислении более чем на 9%. К конечным рынкам их применения относят различные приложения Интернета вещей (IoT), автоматизацию и контроль производства, здравоохранение и безопасность, а также и автомобилестроение. В плане АЦП рыночная тенденция здесь направлена на более высокое разрешение и более быстродействующие устройства, поскольку стоимость таких решений становится более доступной.
Как следует из названия, драйверы АЦП представляют собой специальные усилители, разработанные специально для работы вместе с АЦП и включающие в себя архитектуры последовательного приближения, конвейерные и дельта-сигма-архитектуры. Эти специальные усилители являются критически важными компонентами схемы, позволяющими АЦП работать полноценно, и они стали играть большую роль с появлением более высокоскоростных преобразователей с более высоким разрешением.
Перед обсуждением технических функций, требуемых от драйвера АЦП, полезно сделать краткий обзор архитектуры входного канала современного АЦП. Дифференциальный вход можно определить как два узла, которые имеют равные по величине, но противоположные сигналы относительно фиксированной точки, называемой синфазным уровнем. Два сигнальных узла обычно называются положительными и отрицательными или неинвертирующими и инвертирующими, и сигналы на данных узлах показаны на следующем рисунке.
В приведенном выше примере полное входное напряжение составляет 5 В в размахе, при этом каждая ветвь колеблется на 2,5 В от пика до пика. Уровень синфазного сигнала в этом примере равен 2,5 В. В большинстве современных высокопроизводительных АЦП реализована архитектура с дифференциальным входом, поскольку она обеспечивает более высокую производительность по сравнению с несимметричными входами. Эти преимущества в плане производительности включают в себя возможность подавления синфазного шума и обычных сигналов помех, а также увеличение динамического диапазона на 6 дБ или в 2 раза.
Проектирование с АЦП может стать особенно сложной задачей для разработчиков систем, поскольку рынок АЦП предлагает множество различных архитектур дискретизации входных данных, которые необходимо учитывать на системном уровне. В рамках данного обсуждения основное внимание будет уделено АЦП, в которых используется структура на переключаемых конденсаторах для осуществления дискретизации входного сигнала. В своей самой простой форме эта входная структура состоит из относительно небольшого конденсатора и аналогового ключа, как показано на следующем рисунке.
Когда ключ установлен в положение 1, конденсатор выборки заряжается до напряжения узла выборки, в данном случае VS. Затем ключ переключается в положение 2, где накопленный заряд конденсатора выборки затем передается на остальную часть схемы выборки. Затем процесс начинается сначала.
Небуферизованный вход переключаемого конденсатора, подобный описанному выше, может вызвать серьезные проблемы на системном уровне. Ток, необходимый для зарядки конденсатора выборки до соответствующего напряжения, должен подаваться от внешней схемы, подключенной к входу АЦП. Когда конденсатор подключен к узлу выборки (положение переключателя 1), для начала зарядки конденсатора потребуется большой ток. Величина этого мгновенного тока зависит от размера конденсатора выборки, частоты переключения конденсатора и напряжения на узле выборки. Этот ток переключения можно описать следующим уравнением: i(in)=CVf.
Здесь C – емкость конденсатора выборки, V – напряжение на узле выборки (в данном примере обозначено как VS), а f – частота включения и выключения ключа выборки. Этот ток переключения приводит к сильным пикам тока на узле выборки, как показано на предыдущем рисунке.
Последствия этого тока переключения необходимо учитывать при проектировании аналоговой схемы перед АЦП. Когда входной ток проходит через любое сопротивление, происходит падение напряжения, что приводит к ошибке напряжения в узле дискретизации АЦП. Искажение также может произойти, если входной узел не полностью стабилизировался до следующего цикла выборки.
Поддержание требуемой целостности сигнала датчика, чтобы в полной мере использовать преимущества этих высокоскоростных АЦП с более высоким разрешением, становится очень сложной задачей. По мере увеличения разрешения и скорости АЦП эффекты шума и искажения сигнала датчика становятся более заметными. При более высоких скоростях дискретизации АЦП необходимо позаботиться о том, чтобы входной сигнал стабилизировался до события дискретизации и чтобы сигналы с более широкой полосой пропускания не накладывались обратно в интересующую полосу пропускания сигнала.
Для преодоления этих проблем с преобразованием сигнала во многих приложениях АЦП требуется драйвер АЦП, обеспечивающий достаточную настройку и сглаживание. Как описано выше, большинство современных АЦП реализуют архитектуру дифференциального входа. Одной из основных функций драйвера АЦП является преобразование входящего сигнала из несимметричного в дифференциальный, хотя они могут так же легко обрабатывать и дифференциальный входной сигнал.
Другой функцией драйвера АЦП является буферизация входного сигнала, тем самым изолируя остальную часть схемы от инжекции заряда на входном узле АЦП. Драйвер АЦП обеспечивает мгновенный заряд, тем самым сводя к минимуму любые искажения, связанные с установлением. Необходимо соблюдать осторожность при компоновке драйвера АЦП и преобразователя на уровне платы, чтобы обеспечить минимальное сопротивление дорожки от выхода драйвера до входа АЦП.
Большинство усилителей-драйверов АЦП также имеют аппаратный вывод, который позволяет пользователю смещать напряжение синфазного сигнала по уровню. Эта функция идеальна для обеспечения того, чтобы результирующий дифференциальный сигнал находился в центре диапазона входного напряжения АЦП, тем самым максимизируя динамический диапазон. Поскольку рабочие напряжения продолжают снижаться, динамический диапазон становится еще более важным для обеспечения полного разрешения входного сигнала.
Наконец, подобно большинству компонентов усилителя, драйверы АЦП могут обеспечивать усиление входного сигнала, а также активную фильтрацию. Следует отметить, что большинство драйверов АЦП имеют относительно низкий коэффициент усиления, обычно всего 1 или 2 В/В. Поддерживая коэффициент усиления обратной связи усилителя на низком уровне, коэффициент усиления контура максимизируется, что приводит к наименьшим искажениям. Например, если усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи 100 дБ и сконфигурирован для усиления с обратной связью 200, или 46 дБ, остается только 54 дБ запаса по усилению без обратной связи для обеспечения линейности, или около одной части. в 500. Поэтому обычно используется отдельный каскад усиления, расположенный близко к источнику сигнала, чтобы максимизировать отношение сигнал/шум.
Распространение датчиков на самых разных конечных рынках привлекло дополнительное внимание к схемам согласования сигналов. Поскольку стоимость высокоскоростных АЦП с высоким разрешением продолжает снижаться, реализовать их полноценную работу становится все труднее. Чтобы получить максимальную отдачу от вашего преобразователя данных, драйвер АЦП имеет решающее значение для оптимизации производительности, добавляя незначительные искажения, шум и ошибки времени установления к исходному сигналу.
© digitrode.ru