La amplificación operativa de alta velocidad impulsa un convertidor A/D de 16 bits, 1 entrada diferencial MSPS

Introducción

Los convertidores de analógico a digital (ADC) modernos de alta resolución generalmente requieren amplificadores de búfer de entrada (ADC). Conductores), porque a menudo presentan una carga continua de cientos de ohmios o más, y una carga dinámica de alta frecuencia, a la fuente que se alimenta. Si la fuente es un transductor o preamplificador típico de baja frecuencia, pueden ocurrir errores significativos.

El controlador ADC es un amplificador operacional de sintonización rápida y alto rendimiento con (al menos) varios megaohmios de impedancia de entrada y un circuito de salida de baja impedancia capaz de impulsar cargas dinámicas con errores mínimos. Además del almacenamiento en búfer, el controlador también puede proporcionar escalado de entrada (ganancia) y filtrado de paso bajo para reducir el ruido del sistema. Algunos diseños pueden convertir fuentes individuales en TIC de entrada diferencial.

Para que el controlador ADC mantenga la precisión del sistema, su tiempo de estabilización, ruido y distorsión armónica total (THD) deben ser significativamente mejores que los del propio ADC. Este es un desafío importante para un diseñador de sistemas que utiliza convertidores A/D de aproximación rápida de 16 o 18 bits (tipo SAR).

Requisitos de tiempo de estabilidad

Para utilizar la frecuencia de muestreo completa en un ADC, el tiempo de establecimiento total del amplificador operacional y el ADC para una entrada de paso de escala completa a menos de 1 LSB debe ser menor que la frecuencia de muestreo especificada por el ADC. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde el amplificador y el ADC reciben diferentes valores de entrada de múltiples fuentes multiplexadas. Esta ventana puede ser tan corta como 1 µs cuando se usan ADC rápidos de alta resolución, como el AD7677 de 16 bits, 1 MSPS (entrada diferencial verdadera) y AD7671 (entrada dipolo verdadera) o alrededor de 1,25 µs con el 800 de 18 bits. -kSPS AD7674.

Cuando se busca un amplificador para usar como controlador ADC, es desafortunado que, debido al extremo cuidado requerido para medir el tiempo de establecimiento, la mayoría de las hojas de datos de amplificadores operacionales especifican el tiempo de establecimiento como 0.1% o 0.01% de la escala completa, en lugar de 0.0015. % necesario para una precisión de 16 bits o el 0,0004 % necesario para una precisión de 18 bits. Por lo tanto, establecerse dentro de 1 LSB de 16 bits generalmente llevará mucho más tiempo que la especificación de datos. El amplificador operacional AD8021, con un tiempo de estabilización nominal de 23 ns al 0,01 %, permite al usuario compensarlo de forma personalizada (consulte el apéndice) para obtener el ancho de banda máximo, el ruido más bajo y el THD (distorsión armónica total) mínimo para un sistema cerrado en particular. -ganancia de bucle. Esta combinación también le permite cumplir con las especificaciones de intensidad de tiempo establecidas, incluso cuando opera con ganancias mucho mayores que la unidad.

Requisitos de ruido

El ruido generado por el amplificador del controlador ADC debe mantenerse lo más bajo posible para degradar la relación señal-ruido (SNR) y el rendimiento del ruido de transferencia del ADC de 16 bits. Cuando se usa el AD7671, el ruido del controlador del amplificador operacional se reduce primero con el divisor resistivo dentro del ADC. Luego, el ruido es filtrado por el circuito de entrada analógica del ADC.

La degradación neta de SNR (en dB) debida al amplificador es:

lugar:

NO_CDA El ruido ADC efectivo está en microvoltios

F_–3dB es el ancho de banda de entrada de –3 dB del ADC en MHz (o la frecuencia de corte del filtro de entrada del ADC, si se usa)

NO es la ganancia de ruido del amplificador (1 si está en una configuración de búfer de ganancia unitaria).

mi_NOes la densidad espectral del voltaje de entrada del amplificador operacional en nV/rt-Hz.

FSR el rango de entrada ADC de escala completa (p. ej., 5 V para un rango de ±2,5 V).

Por ejemplo, suponga que el AD7671 de 16 bits está controlado por un amplificador operacional AD8021. El ADC tiene un ruido rms de 28 µV, un ancho de banda de 9,6 MHz y un rango de entrada de 0 a 5 V. El amplificador operacional tiene un ruido de entrada equivalente de 2 nV/rt-Hz y una ganancia de ruido de +1, cuando configurado como una unidad de búfer de ganancia, por lo que la SNR del ADC solo se degradará en 0,08 dB.

Necesidades de distorsión

La fuente de entrada generalmente requiere un amplificador de búfer con una impedancia de salida baja para aislarse de la impedancia de entrada del ADC. La impedancia de salida de este búfer afecta el rendimiento de CA del ADC, particularmente el nivel del Distorsión armónica total (THD). Una impedancia de fuente alta aumenta el THD, ya que la impedancia de entrada de un ADC con entradas oscilando a 2,5 V normalmente tendrá una capacitancia de entrada no lineal.

El THD se degrada proporcionalmente a la impedancia de la fuente. La impedancia de fuente máxima permitida en serie con la entrada ADC depende de la cantidad de distorsión armónica total (THD) que se puede tolerar. El controlador ADC también debe tener un THD inherente muy bajo, mucho más bajo que el ADC (es decir, mejor que la precisión de 16 bits). El nivel THD combinado del AD7671/AD8021 es típicamente -100dB a 20kHz y 250kHz. La Figura 1 es un gráfico típico de THD y componentes de gran distorsión frente al nivel de entrada para este par, con un ADC accionado de 0 V a 2,5 V.

A asimétrico Circuito controlador ADC de 16 bits

La figura 2 muestra un sistema completo de adquisición de datos de 16 bits que consta de un ADC AD7671 y un amplificador operacional AD8021, que se utiliza como amplificador de activación, U1. La señal de entrada se almacena en U1, que actúa como un seguidor de ganancia unitaria de bajo ruido; su alta impedancia de entrada permite el uso de un multiplexor o cruce antes del amplificador operacional.

Se utiliza una resistencia de retroalimentación de 50 ohmios para evitar que suene el AD8021. Un filtro de paso bajo opcional, que consta de una resistencia de 15 ohmios y un condensador de 2,7 nF, reduce el ancho de banda de ruido del amplificador operacional y también actúa como un filtro antisolapamiento.

La fuente de tensión de referencia es un coeficiente de baja temperatura ADR421. Si lo desea, el voltaje de referencia se puede ajustar en el hardware con el circuito opcional descrito en la Nota 3 de la Figura 2. Dado que este ADC se basa en la redistribución de carga, su entrada de referencia se debe omitir correctamente para minimizar la corriente máxima. El AD7671 utiliza tres juegos de clavijas de alimentación: una fuente de alimentación analógica de +5 V (AVDD), una fuente de alimentación digital de +5 V (DVDD) y una fuente de alimentación de interfaz de entrada/salida digital (OVDD). La fuente de alimentación OVDD permite la comunicación directa con todos los voltajes lógicos entre 2,7 V y 5,25 V. La cantidad de fuentes de alimentación se puede reducir alimentando el núcleo digital (DVDD) desde la fuente de alimentación analógica, usando un filtro de paso bajo RC simple como se muestra. .

Las figuras 3 y 4 muestran el comportamiento dinámico del sistema. El gráfico FFT de la Figura 3 muestra el espectro de salida del ADC para una forma de onda de entrada de 45 kHz. La Figura 4 muestra el THD y los productos de distorsión de segundo y tercer armónico del ADC, así como el rango dinámico sin desorden (SFDR), sobrefrecuencia. SFDR se define como la diferencia, en decibeles, entre la amplitud rms de la señal de entrada y su nivel máximo de pico de salida.

A diferencial Circuito controlador ADC de 16 bits

El AD7677 es un ADC de 16 bits que acepta y procesa voltajes de entrada diferenciales. Sus conexiones de referencia, interfaz y alimentación son esencialmente las mismas que las de un ADC de un solo extremo, como se muestra en la Figura 2. El uso de una señal de entrada diferencial verdadera siempre tendrá el ruido de sistema más bajo posible y, por lo tanto, proporcionará la altura de resolución más alta. Sin embargo, cuando la señal de entrada es diferencial, es necesario usar un búfer de entrada de amplificador operacional de ruido ultra bajo, como el AD8021, para rechazar proporcionar ruido de modo común.

El circuito de la Figura 5 permite utilizar un transductor de un solo extremo con esta entrada diferencial de ADC. Utiliza dos amplificadores operacionales AD8021. U1 actúa como un búfer de ganancia unitaria. La salida de U1 impulsa la entrada IN+ CAN del AD7677. (Se puede usar un circuito similar para controlar un ADC de 18 bits AD7674, que es compatible con el AD7677). La salida de U1 también controla la entrada inversora de un segundo amplificador operacional, U2, que invierte la señal y controla el IN - pines de entradas ADC. U2 funciona con una ganancia de ruido de 2, una ganancia lo suficientemente baja como para minimizar el ruido sin sacrificar el rendimiento de THD. La referencia de compensación se aplica a la entrada no inversora de U2 a través de un divisor de tensión de 2:1. Con una fuente de 0 a 2,5 V, este circuito proporciona una oscilación de entrada diferencial de ±2,5 V (U1: 0 a +2,5 V y U2: +2,5 V a 0). El voltaje de compensación de escala completa promedio es de 1,25 V. La figura 6 muestra el rechazo de modo común típico del AD7677 (CMR = 20 log CMRR) en función de la frecuencia.

Durante la etapa de adquisición, el ADC AD7677 es como un filtro RC unipolar para señales de entrada de CA; consta de resistencias de entrada analógica interna, R+ y R–, nominalmente 168 ohmios, y una capacitancia interna, C_S. Las resistencias, R+ y R–, son resistencia en serie más resistencia en el estado del interruptor. El condensador de muestreo ADC, C_S, típicamente 60 pF. Este filtro, con una frecuencia de corte típica de -3 dB de 15,8 MHz, reduce el alias no deseado y reduce el ruido de alta frecuencia de los circuitos de entrada externos.

Debido a que la impedancia de entrada del AD7677 es muy alta, el AD7677 se puede controlar directamente desde una fuente de baja impedancia sin error de ganancia. Esto permite un filtrado adicional, utilizando (por ejemplo) un filtro RC pasivo de un solo polo entre las salidas del amplificador y la entrada del ADC. Esto mejora aún más la reducción de ruido que llega al circuito de entrada analógica del ADC.

Diseño, desacoplamiento y origen: pautas para la adquisición de datos de alta resolución

La mayoría de los ADC de alto rendimiento, como el AD7671, AD7677 y AD7674, tienen muy buena inmunidad al ruido en las fuentes de alimentación. Sin embargo, la placa de circuito impreso (PCB) que contiene el ADC debe diseñarse de modo que las secciones analógica y digital estén separadas, cada una confinada a diferentes áreas de la placa. Los planos de tierra digital y analógico también deben estar separados, con un punto de conexión común, preferiblemente debajo de la placa de circuito impreso y ubicado lo más cerca posible del CAN. Debe evitarse el cruce del cableado de señales digitales y analógicas.

Si el ADC está en un sistema con múltiples conexiones a tierra analógicas y digitales, estas siempre deben tener un solo punto de conexión, utilizando una "tierra en estrella", nuevamente ubicada lo más cerca posible del CDA. También evite ejecutar líneas digitales debajo del ADC, ya que pueden introducir ruido en el IC. En su lugar, ejecute el plano de tierra analógico debajo del ADC.

Las señales de reloj de alta velocidad y otras formas de onda con bordes afilados deben conectarse a otros circuitos mediante líneas de blindaje. Los rastros cercanos en la placa de circuito deben ser perpendiculares entre sí. Las líneas eléctricas deben usar la mayor cantidad posible de trazas para proporcionar una ruta de baja inductancia. Los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación, generalmente de cerámica de 100 nF, deben evitar el IC, cableados lo más cerca posible de sus pines de suministro y tierra. Además, se deben usar condensadores de derivación de 10 µF para reducir aún más la ondulación de baja frecuencia. El sitio es el voltaje de referencia El condensador de desacoplamiento también es importante. Debe estar cerca del ADC y conectado a pistas cortas y anchas para minimizar cualquier inducción parásita.

Los pines de tierra del ADC también requieren una cuidadosa atención a los detalles. Los ADC como AD7671 y AD7677 tienen cinco pines de tierra diferentes: INGND, REFGND, AGND, DGND y OGND. Cada uno se usa para detectar una sola entrada o línea de referencia. INGND (tierra de entrada analógica) se utiliza para detectar la señal de entrada analógica. REFGND (Tierra de entrada de referencia analógica) detecta el voltaje de referencia; debe ser un retorno a la referencia de baja impedancia, porque transporta corrientes pulsantes. AGND es la tierra de referencia para la mayoría de las señales analógicas internas de ADC. Esta tierra debe estar conectada al plano de tierra analógico de menor resistencia. DGND debe conectarse al plano de tierra analógico o digital, según la configuración. El OGND (tierra de alimentación digital de interfaz de entrada/salida) está conectado a la tierra del sistema digital.

anexo

Acerca de los amplificadores operacionales compensados ​​personalizados

Casi todos los amplificadores operacionales producidos en la actualidad utilizan compensación de frecuencia interna. Suele ser un condensador de compensación interno, que proporciona retroalimentación de voltaje negativo. Es esencialmente parte de un filtro de paso bajo de un solo polo, lo que hace que la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional disminuya a una tasa de 20 dB (10x) por década a medida que aumenta la frecuencia. Dado que la mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados para operar en un amplio rango de ganancia de bucle cerrado, incluida la retroalimentación completa, este capacitor interno debe ser lo suficientemente grande para que el amplificador siempre sea estable. Debido a este diseño conservador para la estabilidad en la operación de ganancia unitaria (o para la ganancia mínima especificada del amplificador balanceado), y la relación inversa entre ganancia y ancho de banda, la capacitancia limita demasiado el ancho de banda si el amplificador debe operar con mayores ganancias.

Por ejemplo, si un amplificador compensado internamente típico que funciona con ganancia unitaria tiene un ancho de banda de -3 dB de 200 MHz, su ancho de banda con una ganancia de +10 será solo de unos 20 MHz. Sin embargo, si ese mismo amplificador operacional usara un capacitor de compensación mucho más pequeño, podría proporcionar un ancho de banda completo con esta ganancia más alta, pero sería inestable y oscilante si se operara con ganancias más bajas. Por lo tanto, esta necesidad de mantener la estabilidad con ganancias bajas se sacrifica entre el ancho de banda y la velocidad reducida con ganancias más altas. Aunque las llamadas operaciones de "retroalimentación de corriente" tienden a mantener su ancho de banda en un amplio rango de ganancias, generalmente tienen niveles de ruido mucho más altos que un amplificador de retroalimentación de voltaje. También tienen impedancias de entrada desequilibradas (la entrada positiva es, en efecto, un circuito base de transistor y la entrada negativa es un emisor).

El AD8021 es un amplificador operacional de "frecuencia personalizada" que resuelve este dilema entre la ganancia y el rendimiento del ancho de banda. Utiliza una pequeña capacitancia de compensación interna de alrededor de 1,5 pF para proporcionar estabilidad con ganancias de 10 o más. También cuenta con un pasador de compensación para permitir al usuario agregar la mejor capacitancia externa para cualquier ganancia o condición de carga deseada.

La capacidad de compensación personalizada de este amplificador operacional proporciona una combinación inigualable de ancho de banda amplio, alta velocidad de respuesta y bajo nivel de ruido. La compensación entre el ancho de banda y la capacidad de impulsar cargas capacitivas también se puede optimizar para una aplicación en particular.

La Figura 7 muestra un esquema simplificado del AD8021. La etapa de entrada diferencial NPN es un par que funciona con una corriente de colector total de 1,6 mA. Este nivel de corriente proporciona una alta transconductancia a la etapa de entrada con un bajo ruido de entrada (2,1 nV/rt-Hz a 50 kHz). La etapa de entrada impulsa un cascodo plegado y un espejo actual para proporcionar el diferencial habitual para la conversión de un solo extremo. El condensador de compensación externo está conectado entre un nodo de alta impedancia, en el pin 5, y la línea de alimentación negativa. La etapa de salida tiene una ganancia de corriente de 5000, lo que mantiene alta la impedancia en el pin 5, incluso cuando el amplificador maneja cargas pesadas. Dos templos de diodos internos protegen las entradas (pines 2 y 3) de grandes transitorios de entrada, que de lo contrario, podría causar que la base del emisor falle y aumente el voltaje de compensación de entrada y el sesgo actual de su sala.

La Tabla I enumera los valores recomendados de resistencia y capacitancia de compensación, y el rendimiento dinámico correspondiente, para algunos valores comunes de ganancia de bucle cerrado. Tenga en cuenta que el valor del condensador de compensación depende de la ganancia de ruido del circuito, es decir, su ganancia neta para las señales aplicadas a la entrada +.

Tabla I. Valores recomendados de los componentes.

Consulte el circuito de prueba 2. CF = CL = 0, RL = 1 kV, RIN = 49,9 V

Al igual que con cualquier amplificador operacional de alta velocidad, el diseño de la placa de circuito es fundamental. Es más probable que una inductancia de cable excesiva provoque que el AD8021 oscile cuando se utilizan componentes de tres orificios o una placa de prueba cableada a mano. Por este motivo, se recomienda enfáticamente utilizar una placa de evaluación de bajo costo (número de pieza AD8021AR-EVAL) y componentes de montaje en superficie. Los capacitores de chip cerámico NP0 (tamaño 0805) especificados en la Tabla 1 están actualmente disponibles en Digi clave Corporation, referencias PCC020CNCT-ND (2 pF), PCC070CNCT-ND (7 pF), PCC100CNCT-ND (10 pF).