Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/AnalogDevices/D19900125Elc011.shtml

Прецизионный усилитель выборки и хранения для быстродействующих 12-разрядных АЦП

УДК 681.335.2.003

Джон Силван (John Sylvan)
Фирма Analog Devices Inc. (Норвуд, шт.Массачусетс)

John Sylvan. Build precise S/H amps for fast 12-bit ADCs, ED, 1990, No.2, pp. 57—60,62.

Рассматривается методика проектирования недорогих устройств выборки и хранения, построенных из прецизионных операционных усилителей и ключей на полевых транзисторах. Подобные схемы необходимы современным быстродействующим 12-разрядным АЦП.

К операционным усилителям (ОУ), которые предполагается использовать в устройствах выборки и хранения на дискретных компонентах, предъявляются весьма жесткие требования. Подобные ОУ должны иметь очень хорошие параметры как для переменных сигналов, так и для постоянных уровней. В режиме выборки им необходимо без искажений воспроизводить величину входного сигнала, что требует широкой полосы ОУ по полной выходной мощности. В момент переключения из режима хранения в режим выборки должен быстро фиксироваться уровень входного сигнала. Для этого требуется высокая скорость нарастания и малое время установления. Кроме того, точностным характеристикам 12-разрядных АЦП в широком температурном диапазоне удовлетворяют только ОУ с малым напряжением сдвига и небольшим температурным коэффициентом этого параметра.

Низкие входные токи смещения — еще одно безусловное требование к ОУ для усилителей выборки и хранения. Большой ток смещения увеличивает скорость спада фиксируемого напряжения, поэтому в этих схемах лучше всего использовать приборы с входными каскадами на полевых транзисторах (ПТ). Типичные ИС на ПТ обеспечивают 1-мкс время установления с погрешностью менее 0,01%. Для производства ОУ на ПТ сейчас привлекается новая технология биполярных комплементарных приборов, на базе которой создаются ОУ с малыми пикоамперными токами смещения, 35-МГц полосой единичного усиления, временем установления менее 130 нс и точностью, соответствующей 12-разрядным преобразователям. Более того, такие ИС работают со стандартными ±15 В источниками питания и поэтому могут оперировать с сигналами в широком динамическом диапазоне.

Для реализации усилителя выборки и хранения выбирается одна из нескольких стандартных архитектур с замкнутой или разомкнутой цепью обратной связи, а также с инверсной или прямой передачей сигнала. Независимо от вида схемы между источником сигнала и ключом, который замыкает и размыкает цепь связи входа с запоминающим конденсатором, необходимо включить быстродействующий буферный усилитель. Наконец, усилитель с входным каскадом на ПТ нужен для считывания напряжения с запоминающего конденсатора и передачи его АЦП.

Простой быстродействующий дискретизатор

Три недорогих КМОП-ключа, два ОУ на комплементарных биполярных приборах и несколько резисторов и конденсаторов — вот все дискретные компоненты, которые требуются для создания простого, быстродействующего и недорогого усилителя выборки и хранения (рис.1). Полоса полной мощности этой схемы превышает 250 кГц, время фиксации входного сигнала при его изменении в диапазоне ±5 В составляет около 1 мкс, а стоимость равна примерно 15 долл.

Быстродействующий дискретизирующий усилитель, предназначенный для 12-разрядных АЦП с 1-мкс временем преобразования, построен на двух ОУ фирмы Analog D
Рис.1. Быстродействующий дискретизирующий усилитель, предназначенный для 12-разрядных АЦП с 1-мкс временем преобразования, построен на двух ОУ фирмы Analog Devices с комплементарными биполярными приборами, трех аналоговых КМОП-ключах и нескольких пассивных компонентах.

Функционирующий в режиме повторителя напряжения с единичным усилением ОУ A1 выполняет роль буферного каскада для входного сигнала и формирует ток не менее 50 мА для заряда запоминающего конденсатора СН1 емкостью 100 пФ. Большинство прежних быстродействующих интегральных ОУ далеки от того, чтобы обеспечить выходной ток, необходимый для быстрого заряда конденсатора. Кроме того, многие из них не сохраняют устойчивость при нагрузке на емкость величиной всего 100 пФ. Буферный усилитель AD841, который используется в этой схеме, устойчив при единичном усилении, а его полоса полной мощности близка к 5 МГц.

Усилитель A2 выполняет функции дискретизатора. Он поддерживает зафиксированный запоминающим конденсатором заряд и формирует сигнал для следующего узла системы, например для быстродействующего АЦП с высоким разрешением. Входной ток смещения этого ОУ типа AD845 с ПТ на входе составляет всего 500 пА, скорость нарастания — 100 В/мкс, а время установления с погрешностью не хуже 0,01% от конечного уровня для ±5-В скачка выходного напряжения не превосходит 250 не.

Предлагаемая схема — это неинвертирующий усилитель выборки и хранения с замкнутой обратной связью. Как правило, конфигурация с замкнутой обратной связью обеспечивает лучшую точность и линейность за счет снижения скоростных показателей. В большинстве подобных устройств входной усилитель при отключении второго каскада обычно насыщается из-за размыкания контура обратной связи.

Однако в данной схеме этот недостаток устраняется организацией отдельного контура обратной связи в усилителе A1 и применением на входе ОУ двухполюсного однопозиционного переключателя. Когда схема находится в состоянии «запоминание», неинвертирующий вход A1 подключается к общей точке, в результате чего ее потенциал появляется на выходе этого усилителя. Недостаток такого решения, однако, в том, что усилитель выборки и хранения должен восстанавливать уровень сигнала от нулевого потенциала после окончания каждого цикла запоминания. В результате удлиняется время фиксации отсчета.

КМОП-ключи

Для минимизации времени фиксации необходимо уменьшить постоянную времени схемы, которая определяется произведением суммы входного сопротивления Rin и сопротивления замкнутого ключа на емкость СН1. Поэтому в схеме целесообразно применять ключи с малым сопротивлением в замкнутом состоянии. Для нового поколения быстродействующих КМОП-приборов, например типа DG417 и DG419 фирмы Siliconix (Санта-Клара, шт.Калифорния), характерно 35-Ом сопротивление замкнутого ключа и время выключения всего 200 нс. Более того, эти быстродействующие ИС работают от ±15-В источников питания операционных усилителей и поэтому манипулируют с сигналами в широком динамическом диапазоне.

Выбор типа ключа требует анализа противоречивых требований к сложности схемы и уровню ее параметров. Интегральные КМОП-ключи функционируют в широком диапазоне напряжений, однако обычно вызывают более интенсивную инжекцию заряда, чем дискретные ПТ, что увеличивает погрешность постоянного уровня (пьедестал). Кроме того, они уступают ключам на ПТ по скорости коммутации. Вместе с тем КМОП-ключи управляются непосредственно логическими ТТЛ- или КМОП-сигналами без дополнительных схем согласования уровней.

Погрешность постоянного уровня представляет собой основной источник ошибки в быстродействующих усилителях выборки и хранения, особенно если емкость запоминающего конденсатора уменьшается в целях сокращения времени фиксации. Когда ключ управления режимом хранения замыкается, в запоминающий конденсатор инжектируется заряд, накопленный в паразитной емкости затвор-исток, в результате чего изменяется выходное напряжение ОУ. Приращение напряжения AV0 в усилителе равно

AVO = ΔQ/CH,

(1)

где Q — заряд в пикокулонах, а С — емкость запоминающего конденсатора, как правило, в пикофарадах. Влияние процесса инжекции заряда довольно существенно. Например, инжек-ция заряда величиной всего 5 пК в конденсатор емкостью 68 пФ приводит к изменению выходного напряжения на 58 мВ, что соответствует погрешности в 24 младших значащих разряда (МЗР) 12-разрядного АЦП с полным диапазоном входного сигнала ±5 В.

Для снижения погрешностей постоянного уровня усилитель выборки и хранения может работать в дифференциальном режиме (рис.1). Когда схема переходит от режима выборки или слежения к запоминанию, второй ключ управления режимом запоминания (SW2) инжектирует равный заряд в конденсатор СН2, уравновешивая влияния заряда, инжектируемого в СН1. В результате погрешность постоянного уровня сведется к нулю при точном согласовании параметров ключей и конденсаторов, а также при условии применения усилителя с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала. Погрешность постоянного уровня в усилителе выборки и хранения уменьшает также схема, в которой ключ управления режимом запоминания направляет сигнал в точку «виртуальной земли», что соответствует включению конденсатора СH1 в цепь обратной связи ОУ. Заряд, инжектированный в точку суммирования ОУ — виртуальную землю, не зависит теперь от входного напряжения. В результате погрешность постоянного уровня будет фиксированной и может быть уменьшена до нуля потенциометром. В режиме автоустановки погрешность сводится к нулю с помощью ЦАП. При таком включении, которое по существу соответствует схеме интегратора, быстродействующий ОУ должен сохранять устойчивость при единичном усилении.

Погрешности прямого прохождения

Прямое прохождение входного сигнала на выход в режиме запоминания служит еще одним показателем качества усилителя выборки и хранения. Обычно степень прямого прохождения зависит от частоты входного сигнала и его амплитуды. Если эта амплитуда не превышает 1/2 МЗР, эффект прямого прохождения в спектре преобразуемого в цифровую форму сигнала проявляться не будет, поскольку этот уровень окажется меньше шумов квантования. Погрешности прямого прохождения, превышающие 1/2 МЗР, вызывают появление ошибочных выходных кодов, повышают суммарный коэффициент нелинейных искажений и снижают отношение сигнал/шум.

Величину прямого прохождения можно оценить по формуле

AV0 = CDS/CHΔVin

(2)

где CDS — емкость исток-сток ключа, a Vin — размах входного напряжения.

Очевидный способ уменьшения прямого прохождения состоит в том, чтобы снизить размах напряжения на ключе, управляющем режимом запоминания. Этого можно добиться «выключением» входного буферного усилителя в результате нарушения связи между источником переменного сигнала и входом усилителя выборки и хранения с помощью двухполюсного однопозиционного переключения SW1. Он соединяет неинвертирующий вход ОУ A1 с общей точкой в режиме запоминания и подключает его к источнику сигнала в режиме выборки. Следовательно, на ключ SW2 в цикле запоминания поступает не высокочастотный сигнал с размахом ±5 В, а «фиксированный» постоянный уровень, который в данном случае равен потенциалу общей точки. В результате прямое прохождение практически исключается.

Подключение неинвертирующего входа к общей точке дает еще одно дополнительное преимущество — уменьшает скорость спада напряжения на запоминающем конденсаторе. Поскольку напряжение на разомкнутом ключе равно нулю (оба его вывода соединены с виртуальной землей), ток через него практически не протекает. В этом случае скорость спада зависит только от величины входного тока смещения ОУ А2 (максимум 20 нА) и утечки заряда в конденсаторе.

Недорогой 1-МГц дискретизатор

Частота преобразования быстродействующих полупроводниковых АЦП последнего поколения достигла 2 МГц. Необходимое таким преобразователям малое время фиксации обеспечивают гибридные усилители выборки и хранения, однако их стоимость обычно превышает цену самих АЦП. Несмотря на больший объем работ по проектированию, схемы на дискретных элементах могут составить экономически эффективную альтернативу приобретению дорогих гибридных ИС.

Другое устройство на дискретных компонентах содержит два быстродействующих комплементарных биполярных ОУ, четырехканальный ДМОП-ключ и несколько пассивных элементов (рис.2,а). Схема работает с высокоскоростным полупроводниковым АЦП, например, типа AD671 (12-разрядный прибор с 500-нс временем преобразования) и обеспечивает производительность 1*106 отсчет/с.

Предельные показатели быстродействия и точности, необходимые при дискретизации сигналов для 12-разрядного АЦП с 0,5-мкс временем преобразования (напри
Рис.2. Предельные показатели быстродействия и точности, необходимые при дискретизации сигналов для 12-разрядного АЦП с 0,5-мкс временем преобразования (например, AD671), может обеспечить схема выборки и хранения на дискретных аналоговых коммутаторах с КМОП-транзисторами, таких, как ИС SD5001 фирмы Signetics (а). Кроме того, схеме выборки и хранения требуется время на фиксацию сигнала и установление (б).

Несмотря на то что высокое входное сопротивление могло бы упростить процесс обработки сигналов, в усилителе выборки и хранения для уменьшения нелинейных искажений инвертирующей конфигурации входное сопротивление пришлось снизить до 2 кОм, Неинвертирующая схема уступает по степени подавления синфазных помех, имеет большие погрешности передачи постоянных уровней, которые прямо связаны с размахом входного сигнала. Кроме того, в такой схеме проявляется нелинейность характеристики ключа. Все эти три источника погрешностей увеличивают суммарный коэффициент нелинейных искажений усилителя выборки и хранения.

Ускорить процесс фиксации позволяет четырехканальный ДМОП-коммутатор типа SD5001 фирмы Siliconix, время включения которого составляет всего 1 нс. Подавая на подложку этого прибора отрицательное относительно общей точки смещение, равное падению напряжения на открытом диоде 2N4148, разработчик уменьшает сопротивление ключа в замкнутом состоянии для заданного напряжения затвор-исток. Такой ключ отличается также очень малой емкостью затвор-сток, которая составляет 1,6 пФ и способствует дополнительному уменьшению заряда, инжектируемого в запоминающий конденсатор. Для включения ДМОП-коммутатора на его управляющие входы необходимо подавать инверсные уровни не ниже напряжений КМОП-логики. Повышение управляющих уровней на затворах ключей улучшает их характеристики, поскольку уменьшаются их сопротивления в замкнутом состоянии.

Поскольку ОУ AD845 работает в режиме дифференциального усилителя, скорость спада напряжения на запоминающем конденсаторе зависит от входного тока «сдвига», а не от входного тока «смещения». В технических условиях на усилитель AD845 максимальное значение входного тока сдвига равно 20 нА. Тогда скорость спада можно определить по формуле

ΔV/Δt=ioffset/CH1

(3)

где СH1 — емкость запоминающего конденсатора. Итак, максимальное значение скорости спада равно 1 мВ/мкс, причем типичное значение этого параметра составляет 1,25 мкВ/мкс. Данное выражение не учитывает влияние тока утечки ключа. Однако, поскольку на его затворе, стоке и истоке потенциалы близки к нулю, низкое дифференциальное напряжение создает пренебрежимо малый ток.

Минимизация прямого прохождения

Для уменьшения прямого прохождения быстродействующий усилитель выборки и хранения работает с Т-образным ключом. Когда схема находится в режиме запоминания, источник входного сигнала соединяется с общей точкой с помощью одного из четырех ключей коммутатора SD5001. Ключ и последовательный 250-Ом входной резистор выполняют функции делителя напряжения. При типичном 50-Ом сопротивлении открытого ключа и напряжении входного сигнала ±1,25 В максимальное значение размаха сигнала прямого прохождения на истоке ключа, управляющего режимом запоминания, равно 200 мВ. Высокое сопротивление разомкнутого ключа еще больше увеличивает подавление сигнала прямого прохождения до 60 дБ и более.

Поскольку резисторы RF и Rin определяют коэффициент усиления усилителя выборки и хранения, разработчик выбирает их сопротивления, исходя из максимальной величины входного сигнала и полного диапазона изменения напряжения на входе обслуживаемого АЦП. Приведенные на схеме номинальные значения соответствуют усилению —4, которое увеличивает входную амплитуду ±1,25 В до ±5 В диапазона АЦП AD671.

Несмотря на то что время преобразования прибора AD671 не превышает 1 мкс, усилителю выборки и хранения нужно выделить интервал для фиксации сигнала и последующего установления. Однако временная диаграмма работы этого АЦП не совсем обычна. Многоэтапный алгоритм преобразования не требует установления уровня входного сигнала с 12-разрядной точностью на начальном 150-нс интервале цикла преобразования (рис.2,б).

Схема усилителя выборки и хранения с поочередным подключением каналов позволяет повысить производительность за счет применения двух схем дискретизации. В то время, как одна из них выполняет формирования выборки или фиксацию, другая находится в режиме запоминания и передает сигнал АЦП или какому-либо другому устройству (рис.3,а). Для реализации системы с поочередным подключением каналов требуются всего три быстродействующих ОУ и высокоскоростной интегральный коммутатор.

Максимальной производительности достигает усилитель выборки и хранения с очередным подключением каналов, один из которых выполняет выборку, а другой н
Рис.3. Максимальной производительности достигает усилитель выборки и хранения с очередным подключением каналов, один из которых выполняет выборку, а другой находится в режиме запоминания (а). Прямое прохождение сигнала и взаимные помехи минимизируются с помощью видеокоммутатора на ДМОП-транзисторах DG542, включенных по Т-образной схеме (б).

Операционный усилитель A1 типа AD841 работает в режиме повторителя входного сигнала. Сдвоенный широкополосный коммутатор DG542 с Т-образной схемой поочередно подключает входной буфер A1 к одному из двух выходных ОУ и его запоминающему конденсатору. В то же время коммутатор в режиме запоминания подключает выход этого ОУ к выходу устройства Vout. Например, когда на выводы 1 и 16 коммутатора поступает высокий логический уровень, усилитель А2 следит за входным сигналом, а его выход не связан с точкой Vout. Усилитель А3 и его запоминающий конденсатор хранят аналоговое напряжение, причем выход этого ОУ соединен с выходом схемы Vout. Если логические уровни управления режимами выборки и запоминания на выводах 1 и 16 будут низкими, то два выходных усилителя поменяются ролями.

Архитектура с поочередным подключением каналов не только улучшает производительность быстродействующих усилителей выборки и хранения. Она позволяет, например, повысить емкость запоминающего конденсатора. Поскольку фиксация выборки выполняется параллельно с циклом запоминания, RC-постоянная времени сопротивления открытого ключа и емкости запоминающего конденсатора больше не ограничивает производительность. Если время фиксации меньше, чем необходимая для преобразования длительность цикла запоминания, то производительность будет ограничена скоростью нарастания и временем установления ОУ. Каждый из двух усилителей AD843 с ПТ на входе имеет скорость нарастания 250 В/мкс и время установления с погрешностью не более ±1% конечного значения, которое для ±10 В скачка напряжения не превосходит 130 нс.

Для данного типа устройств важное значение приобретает выбор подходящего коммутатора. Исключительно низкий уровень взаимных помех и высокую степень развязки обеспечивают ИС DG542 с Т-образными ключами в каждом канале.

Дополнительному улучшению этих параметров способствует размещение выводов земли между сигнальными выводами ИС. На входной частоте 5 МГц подавление взаимных помех и степень развязки составляют соответственно 85 и 75 дБ. Предельное значение отрицательного напряжения питания этого коммутатора равно —5 В, что затрудняет обработку двухполярного сигнала. Все три усилителя должны работать от одного 5-В отрицательного напряжения питания коммутатора, чтобы исключить риск появления эффекта защелкивания. Ограничения по напряжению питания вынуждают уменьшать входную амплитуду до уровня видеосигналов (±3 В). Если требуется больший предельный размах, полностью использующий диапазон входных сигналов АЦП, два выходных ОУ должны работать как буферные каскады с определенным усилением. При этом, однако, их напряжение питания следует выбирать равным ±12 В.

Поскольку на вход АЦП попеременно поступают «хранимые» величины с выходов двух ОУ, рассогласование между напряжениями сдвига в этих ИС будет восприниматься как нелинейность, создающая искажения в выходном сигнале. В связи с этим к ОУ предъявляются очень высокие требования по параметрам переменного сигнала и точности передачи постоянных уровней. Максимальное значение напряжения сдвига прибора AD843 составляет 1 мВ, температурный коэффициент этого напряжения — 10 мкВ/С°, а коэффициент усиления без обратной связи — 94 дБ.

Кроме того, в ОУ AD843 предусмотрена регулировка напряжения сдвига с помощью потенциометра, подключенного к выводам балансировки. Разработчик соединяет с общей точкой вход схемы и подстраивает выходные напряжения ОУ так, чтобы разность между ними равнялась нулю. При этом выход подключается к чувствительному осциллографу, а на вход управления усилителя выборки и хранения подается тактовый сигнал. В ходе подстройки амплитуда прямоугольного колебания, обусловленного различием в напряжениях сдвига, сводится к нулю.

Если проблема связана с температурными уходами напряжения сдвига, которые особенно заметны в усилителях с ПТ на входе, разработчик может воспользоваться схемой автокалибровки с двумя ЦАП. На вход ОУ подается «известное» опорное напряжение или потенциал общей точки, а напряжение сдвига сводится к нулю в результате изменения цифровых кодов на входах двух 8-разрядных ЦАП, подключенных к выводам подстройки ОУ.

Как выбрать запоминающий конденсатор

При выборе типа конденсатора для схем усилителя выборки и хранения разработчику необходимо принимать во внимание величину поглощения в диэлектрике и температурного коэффициента (ТК), которые должны быть малыми. Посеребренные слюдяные конденсаторы имеют малый ТК (от 0 до 100*10-6/°С) и работают при температурах выше 200°С. Конденсаторы этого типа необходимо испытать, чтобы убедиться в соответствии реальных параметров техническим условиям. Не все изготовители проводят полномасштабное тестирование своих компонентов на абсолютный допуск.

Апертурная задержка и апертурная неопределенность (флуктуации) — еще два определяющих параметра усилителя выборки и хранения. Апертурная задержка вносит погрешность, которая определяется по следующей формуле:

Ea = Ta(dV/dt)

(4)

где Еа — апертурная погрешность в вольтах, Та — апертурная задержка, a dV/dT — скорость нарастания входного сигнала. Эта погрешность обусловлена конечным временем размыкания ключа и эффектом «усреднения» входного сигнала на интервале перехода ключа из замкнутого состояния в разомкнутое. Однако, если ключ размыкается периодически, апертурное время можно трактовать как фазовый сдвиг входного сигнала, а не как погрешность в однока-нальной системе. Более того, этот источник ошибок нейтрализуется соответствующей калибровкой.

Разработчик схемы должен принимать меры к устранению переменной составляющей апертурной задержки или «апертурных флуктуации». Максимальная полоса усилителя выборки и хранения с заданной величиной апертурных флуктуации (ta) определяется выражением

fmax = 1/(2πta)(2n-1)

(5)

где n — разрешающая способность АЦП, включенного после УВХ. Для 12-разрядного преобразователя и 10-пс апертурных флуктуации максимальная полоса будет близка к 2 МГц. Данное выражение подчеркивает тот факт, что для быстродействующих АЦП с высоким разрешением требуются усилители выборки и хранения с малыми апертурными флуктуациями.

Источником таких флуктуации может служить фазовая модуляция частоты тактового сигнала дискретизатора, которая вызывается широкополосным случайным шумом, помехами с частотой сети электропитания или помехами от работы цифровых схем, возникающими из-за плохого заземления. Тщательная конструкторская проработка топологии платы может ослабить влияние этих факторов. Для минимизации роли паразитных индуктивности, емкостей и сопротивлений печатные проводники, соединяющие источник сигнала управления и схему усилителя выборки и хранения, следует делать как можно короче. Кроме того, необходимо убедиться в том, что линии управления не располагаются параллельно ни с одним из проводников аналоговых сигналов.

Об авторе

Джон Силван — специалист по маркетингу фирмы Analog Devices (Норвуд, шт. Массачусетс) — закончил колледж Колби (Уотервилл, шт. Мэн) по специальности административное управление.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 63, No.03 (832), 1990г - пер. с англ. М.: Мир, 1990, стр.27

Electronics Design Vol.38 No.1 January 11, 1990 A Penton Publication

Electronics Design Vol.38 No.2 January 25, 1990 A Penton Publication

John Sylvan. Build precise S/H amps for fast 12-bit ADCs, ED, 1990, No.2, pp. 57—60,62.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Аналого-цифровые преобразователи





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/AnalogDevices/D19900125Elc011.shtml