Устройства смешанных сигналов высокого разрешения ставят перед вами интересную задачу, когда вы пытаетесь найти правильную схему источника опорного напряжения. Хотя универсального подхода к конструированию таких схем не существует, на Рисунке 1 показано интересное решение для преобразователей с разрядностью более 15 бит.
 | |
| Рисунок 1. | Хотя универсального подхода к проектированию подобных источников опорного напряжения не существует, данная схема представляет собой интересный вариант для преобразователей с разрешением более 15 бит. |
При проектировании преобразователей высокого разрешения возникают такие проблемы, как шум опорного напряжения, устойчивость и способность источника опорного напряжения отдавать достаточный ток на вход опорного напряжения преобразователя. Пассивный фильтр, состоящий из элементов R1, C2 и C3, значительно снижает шумы опорного напряжения. Частота среза этого фильтра нижних частот составляет 1.59 Гц. Этот фильтр снижает как широкополосный, так и сверхнизкочастотный шум. Дополнительный RC-фильтр позволяет контролировать шум на уровне, достаточном для 20-битного АЦП. Эта ситуация обнадеживает. Однако, если ток от вывода опорного напряжения АЦП проходит через резистор R1, падение напряжения на нем исказит результаты преобразований при обработке каждого бита [1].
Схема на Рисунке 1 содержит операционный усилитель, необходимый для изоляции фильтра нижних частот, состоящего из элементов R1, C2 и C3, и для обеспечения достаточного тока на входе опорного напряжения АЦП. Входной ток смещения КМОП операционного усилителя OPA350 составляет 10 пА при 25 °C. Этот ток создает на 10-килоомном резисторе R1 постоянное падение напряжения 100 нВ, которое не влияет на окончательное разрешение 23-разрядного АЦП. Входной ток смещения операционного усилителя изменяется в зависимости от температуры, но можно ожидать, что его максимальное значение не превысит 10 нА при 125 °C, что приведет к изменению на 100 мкВ в диапазоне температур 100 °C.
Полезно оценить это падение напряжения на R1, которое увеличивает погрешности источника опорного напряжения. Предположим, что начальная погрешность источника опорного напряжения составляет ±0.05%, а температурный дрейф – 3 ppm/°C. При опорном напряжении 4.096 В начальная ошибка опорного напряжения при комнатной температуре равна 2.05 мВ, а при 125 °C к ней добавляется еще 1.23 мВ. В схеме на Рисунке 1 погрешность опорного напряжения преобладает над ошибками, вносимыми смещением и входными токами операционного усилителя. АЦП, включенный по схеме на Рисунке 1, воспринимает сумму ошибок от опорного напряжения, резистора R1 и операционного усилителя OPA350 как ошибку усиления.
Операционный усилитель нагружен на конденсатор C4 емкостью 10 мкФ и на вход опорного напряжения АЦП. Во время аналого-цифрового преобразования заряд на конденсаторе C4 поддерживает необходимое напряжение на выводе опорного напряжения, входная емкость которого составляет приблизительно от 2 до 50 пФ.
 | |
| Рисунок 2. | Устойчивость схемы считается хорошей, если измененная характеристика усилителя без обратной связи и характеристика усилителя с обратной связью имеют скорость спада 20 дБ/дек. |
Устойчивость усилителя может быть нарушена, поскольку конденсатор C4 и собственное выходное сопротивление операционного усилителя RO изменяют амплитудную характеристику усилителя без обратной связи. В принципе, устойчивость схемы считается хорошей, если измененная характеристика усилителя без обратной связи и характеристика усилителя с обратной связью имеют скорость спада 20 дБ/дек (Рисунок 2). Рассчитать положения полюса и нуля этой устойчивой схемы позволяют следующие формулы:
Выходное сопротивление усилителя OPA350 без обратной связи составляет 50 Ом, а ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсатора C4 равно 2 мОм.