Оптимизация характеристик сигнальных каскадов.Часть вторая
ПЕРЕДАЧА ЗАРЯДА В КОММУТИРУЕМУЮ ЕМКОСТНУЮ НАГРУЗКУ
Как было сказано ранее, операционный усилитель добавляется во входной каскад АЦП для управления емкостной нагрузкой. В то же время на входе АЦП имеется и коммутируемая емкостная нагрузка (рис. 3).
В режиме «Ожидание» ADC121S101 характеризуется входной емкостью Свх, которая не превышает 4 пФ, а в режиме «Вывода» входная емкость равна Спреобр. + Свывода и не превышает 30 пФ. Для минимизации погрешности, вызванной изменением входной емкости, необходимо между входом АЦП и общим выводом подключить дополнительный конденсатор (Ci). Емкость Ci должна быть больше входной емкости АЦП в режиме «Вывода», тем самым обеспечить быстродействие передачи заряда в конденсатор (Спреобр.). Для ограничения дополнительной нагрузки конденсатора от выхода операционного усилителя, как правило, добавляется резистор ограничения нагрузки, (рис. 4).
При выборе параметров RC-цепи необходимо руководствоваться тремя важными факторами:
• во-первых, разработчик должен учитывать, что RC-цепь образует фильтр низких частот. Следовательно, RC-цепь может ослабить преобразованный сигнал, если его частота близка к 1/2tcRC. Это чрезвычайно важно в прецизионных приложениях, где в схеме АЦП не предусмотрена возможность калибровки коэффициента передачи;
• во-вторых, необходимо учитывать критерий выбора номинала последовательного резистора. Несмотря на то, что повышенные сопротивления приводят к снижению фазовой задержки на выходе операционного усилителя поддерживающего стабильность операционного усилителя, следует учитывать возможность неполного заряда внешней и внутренней емкостей на входе АЦП в течение интервала «Вывода». Рекомендуется использовать резистор номиналом не более 100 Ом;
• в-третьих, внешний конденсатор должен быть в несколько раз больше входной емкости в режиме «Вывод». В этом случае достигается минимальный спад напряжения на конденсаторе при переключении АЦП из режима «Ожидание» в режим «Вывод».
Требование к моменту срабатывания операционного усилителя определяется длительностью временного интервала, в течение которого АЦП находится в режиме «Вывода». За это время операционный усилитель должен завершить заряд конденсатора и застабилизировать напряжение на нем прежде, чем АЦП переключится в режим «Ожидание». Вре-
менная константа для перезаряда емкости на входе определяется значениями последовательного сопротивления и эквивалентной емкости параллельного соединения внутренней и внешней емкостей. Если, за время вывода АЦП, операционный усилитель не сможет застабилизировать напряжение на входе АЦП, то результат преобразования будет содержать ошибку.
Как отправную точку для выбора параметров Rbx и Свх RC-цепи можно использовать частоту преобразования АЦП. Если ее параметры вызывают существенное ослабление при максимальной частоте входного сигнала, то разработчик должен соответствующим образом уменьшить значение емкости или сопротивления. Минимальное значение сигнала на выходе операционного усилителя напрямую зависит от номинала резистора. Предпочтительными являются меньшие значения номинала резистора, т.к. они ограничивают искажения. Однако, стабильность работы усилителя необходимо поддерживать во всем диапазоне частот входного сигнала, амплитуд и температур.
ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ КОМПОНЕНТОВ
Если операционный усилитель включен по схеме инвертирующего усилителя (рис. 5), то несложно вычислить коэффициент погрешности, вызванный погрешностями компонентов. Поскольку коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен —R2/ R1, то максимальное его отклонение от идеального наблюдается в том случае, когда R2 имеет максимальное значение, a R1 — минимальное, или, когда R2 — минимален, a R1 — максимален. Если используются резисторы с погрешностью1%, то максимальная погрешность будет равна 2%.
В схемах, где не выполняется калибровка коэффициента усиления, это приводит к ограничению динамического диапазона АЦП. Для 8-разрядного АЦП 1 м.р. соответствует 0,39% от Vhoh
(Уион/2п). Следовательно, 2%-ая погрешность коэффициента усиления соответствует потери 12 м.р. динамического диапазона, из них 6 старших кодов и 6 младших кодов АЦП.
|
