Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Texa Poland
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką

ghost666 22 Lis 2015 23:48 1989 0
  • Sygnały różnicowe znalazły wiele użytecznych zastosowań w systemach analogowych, gdzie ich wysoki stosunek sygnału do szumu, odporność na zakłócenia i niższa druga harmoniczna, są niezwykle przydatne. Takimi aplikacjami są na przykład układy driverów przetworników analogowo-cyfrowych czy wysokiej jakości systemy audio. Aby możliwe było wykorzystanie w systemie różnicowej transmisji sygnałów analogowych, bardzo często zastosować konwertery sygnału asymetrycznego. Przykład takiego układu zoptymalizowanego pod kątem precyzji i niskiego zużycia prądu zobaczyć można tutaj. Układ ten charakteryzuje się bardzo wysoką impedancją wejściową, prądem polaryzacji równym 2 nA, maksymalnym offsetem na poziomie 60 µV z dryftem 0,7 µV/°C. W układzie (pokazanym na rysunku 1 wykorzystano kaskadowe połączenie OP1177 w pętli sprzężenia zwrotnego z AD8476 skonfigurowanym do pracy z wzmocnieniem równym 1.

    Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką
    Rysunek 1. Projekt wysokiej klasy konwertera sygnału asymetrycznego na różnicowy.


    W wielu aplikacjach od układów wymaga się nie tyko opisywanych powyżej cech, ale także wysokiego zakresu dynamiki wyjścia. Przykładem takiej aplikacji są układy znajdujące się w torach analogowych sensorów - temperatury i ciśnienia. Dodatkową zaletą zaprezentowanego na rysunku 2 układu jest możliwość sterowania napięciem współbieżnym, co jest niezwykle przydatne przy podłączaniu sygnałów do przetworników ADC, gdzie napięcie odniesienia definiuje zakres napięć wejściowych.

    Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką
    Rysunek 2. Schemat konwertera z dodanymi modyfikacjami poprawiającymi zakres dynamiki układu.


    Skonfigurowanie wzmacniacza różnicowego działającego wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego do pracy z wzmocnieniem większym od 1 pozwala na poprawienie dynamiki układu. Napięcie wyjściowe opisać możemy jako:





    $$V_{OUT, DIFF} = V_{OP} - V_{ON} = 2 (V_{IN}(1+\frac{R_F}{R_G})-V_{REF})$$


    Gdy pozostawi się $$R_G$$ rozwarte, układ ma całkowite wzmocnienie równe 2. Wyjście A1 (OP1177) opisać można wtedy jako:

    $$V_{OUT, OP177} = \frac{V_{OUT, DIFF}}{G_{DIFF, A2}} + V_{REF}$$


    Warto zwrócić uwagę, że $$V_{REF}$$ zawsze dodawane jest do wyjścia z wzmacniacz OP1177, co ogranicza zapas dynamiki sygnału. W większości aplikacji napięcie to - napięcie współbieżne - ustawia się jako połowę napięcia zasilania w celu osiągnięcia największej dynamiki pracy układu. W przypadku wykorzystania wzmacniacza różnicowego z wzmocnieniem większym niż 1, tak jak pokazany na rysunku 2 AD4940, napięcie wyjściowe z A1 jest zmniejszone o czynnik równy wzmocnieniu napięciowemu (różnicowemu) wzmacniacza A2. Pozwala to na uniknięcie nasycenia wyjścia wzmacniacza A1. Ponieważ dla zasilania ±5 V zakres napięć wyjściowych OP1177 wynosi około ±4,1 V, zakres różnicowych napięć wyjściowych z układu pokazanego na rysunku 2 wynosi około ±8 V, przy $$V_{REF}$$ ustawionym na 0 V. Dalsze zwiększanie wzmocnienia A2 (np. do wartości równej 3) poprawia dalej dynamikę wyjściową układu i zwiększa zakres napięć wyjściowych. Inny, podobny wzmacniacz - AD4950 - umożliwia prace z wzmocnieniami równymi 1, 2 oraz 3 i może zastąpić AD4940 (A2) w prezentowanym układzie.

    Regulacja napięcia współbieżnego

    Układ został zmodyfikowany pod kątem modyfikacji napięcia współbieżnego poprzez podanie napięcia na jedno z wejść. Dodaje to ogromną elastyczność i wygodę do układu, umożliwiając dowolne dopasowywanie jego działania do systemów z różnym, asymetrycznym zasilaniem. W układach takich sygnały wejściowe muszą być konwertowane na różnicowe z dodanym napięciem stałym (napięciem współbieżnym) w celu digitalizacji na ADC zasilanym pojedynczym napięciem zasilania.

    Układ zrealizowano poprzez dodanie rezystorów $$R_1$$ oraz {tex[R_2[/tex], gdzie ten drugi dołączony jest do $$V_{OCM}$$. Jeśli jako A1 wykorzystamy podwójny wzmacniacz operacyjny - na przykład OP2177 - to jedną część wykorzystać możemy jako bufor napięcia współbieżnego. Układ ten bardzo dobrze realizuje ten cel z uwagi na niezwykle mały prąd polaryzacji wejścia.

    Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką
    Rysunek 3a. Schemat usprawnionej wersji opisywanego konwertera.
    Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką
    Rysunek 3b. Oscylogram przedstawiający napięcie wejściowe (linia niebieska) i napięcia wyjściowe (VOP na czerwono, VON na żółto). Napięcie współbieżne równe jest 0 V.
    Uniwersalny, precyzyjny konwerter na sygnał symetryczny ze zwiększoną dynamiką
    Rysunek 3c. Oscylogram przedstawiający napięcie wejściowe (linia niebieska) i napięcia wyjściowe (VOP na czerwono, VON na żółto). Napięcie współbieżne równe jest 2,5 V.


    W układzie na rysunku 1 napięcie wejściowe mierzone jest względem napięcia $$V_{REF}$$. Z kolei w układzie na rysunku 3 napięcie wejściowe liczone jest względem masy i konwertowane na sygnał różnicowy. Napięcie $$V_{OCM}$$ może być dowolnie modyfikowane tak, aby ustawić żądany poziom napięcia współbieżnego niezależnie od wejścia, które nadal liczone będzie względem masy. Wejście $$V_{OCM}$$ zasadniczo jest po prostu kolejnym wejściem do wzmacniacza wraz z napięciem wejściowym. Wartości oporników dobrać trzeba w następujący sposób:

    $$\frac{R_1}{R_G} = \frac{R_2}{R_F}$$


    Z zasady superpozycji gdy napięcie wejściowe równe jest 0 V to napięcie wyjściowe z układu powinno być równe napięciu współbieżnemu. Jako że $$V_{OCM}$$ jest napięciem współbieżnym, to napięcie różnicowe będzie równe 0 V, zatem $$R_1 = R_G$$ oraz $$R_2 = R_F$$. Napięcie wyjściowe dane jest wzorem:

    $$V_{OP} = \frac{R_F}{R_G}V_{IN} + V_{OSM}$$
    $$V_{ON} = - \frac{R_F}{R_G}V_{IN} + V_{OSM}$$
    $$V_{OUT, DIFF} = 2\frac{R_F}{R_G}V_{IN}$$


    Pasmo i stabilność układu

    Dwa kaskadowe wzmacniacze tworzą wzmacniacz z wyjściem różnicowym w konfiguracji z serwem. Wzmocnienie w otwartej pętli układu OP1177/OP2177 i wzmocnienie różnicowe AD4940/AD4950 tworzą całkowite wzmocnienie w otwartej pętli układu, co determinuje całkowite pasmo systemu. Ich bieguny łączą się, co powoduje dodatkowe przesunięcia fazy w pętli. Większe wzmocnienie układu A2 redukuje jego pasmo i może mieć wpływ na stabilność działania konwertera.

    Podczas projektowania takiego układu koniecznie sprawdzić trzeba odpowiedź częstotliwościową i oszacować konieczność kompensacji. Dobrą praktyczną zasadą jest przyjęcie, że całkowite wzmocnienie w otwartej pętli w funkcji częstotliwości powinno przekraczać poziom równy jeden z nachyleniem -20 dB/dekadę, co pozwala na zagwarantowanie stabilności sprzężenia zwrotnego w układzie. Jest to także niezwykle istotne w układzie z najmniejszym (równym 2) wzmocnieniem, gdzie wzmocnienie w pętli jest największe i przez to oferuje najmniejszy margines fazy. Duże całkowite wzmocnienie także poprawia stabilność, zmniejszając pasmo układu i zwiększając margines fazy pętli sprzężenia zwrotnego. Ponieważ wzmocnienie pętli spada, częstotliwość dla którego wynosi jeden, także się zmniejsza. Wzmocnienie pętli sprzężenia dane jest wzorem:

    $$Wzmocnienie = (A_{OL, pierwszy wzmacniacz})(A_{DIFF, drugi wzmacniacz})\beta$$
    $$\beta = ½\frac{R_G}{R_G+R_F}$$


    Współczynnik sprzężenia - β - ma we wzorze czynnik ½, ponieważ wyjście jest różnicowe, ale sprzężenie pobierane jest tylko z jednego z sygnałów. AD4940 charakteryzuje się pasmem równym 50 MHz dla wzmocnienia równego 2, a OP1177 ma pasmo (miejsce przejścia wzmocnienia przez jeden) równe 4 MHz. Układ pokazany na rysunku 3 jest stabilny z pasmem równym 1 MHz ograniczonym przez OP1177 i zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego. Gdy nie da się jednakże, wykorzystując inne układy, osiągnąć kryteriów stabilności, do układu dodać można ograniczający częstotliwość kondensator, który formuje z $$R_F$$ układ całkujący, ograniczający pasmo układu do wartości opisanej wzorem:

    $$½ \times \frac{1}{2\piR_F C_F}$$


    Kondensator i opornik w sprzężeniu dobrane mogą być zatem tak, aby spełnić kryterium całkowitego pasma ograniczonego powyższym wzorem.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-11/se-to-diff.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Texa Poland