Термины: Буфер аналоговый активный для согласования с динамическим коммутатором входа АЦП

Буфер аналоговый активный для согласования с динамическим коммутатором входа АЦП

 

АЦП с входным динамическим коммутатором каналов в многоканальном режиме требует низкоомного источника сигнала (как это описано по приведённой ссылке) для уменьшения времени установления коммутационного переходного процесса с высокой частотой коммутации. Для задачи согласования высокоомного источника сигнала с входом такого АЦП нередко применяют аналоговую буферную схему (далее для краткости будем называть её "буфером") на основе операционного усилителя (ОУ). Дальнейшее изложение рассчитано на специалистов, знакомых с основами аналоговой схемотехники.  Ниже будут рассмотрены схемотехнические вопросы, относящиеся только к выходным цепям буфера (устройство цепей обратной связи, входных цепей и цепей питания не рассматриваются). Будем считать, что буфер имеет единичный коэффициент передачи по напряжению. 

Рассмотрим типичный случай буфера, соединённого со входом АЦП кабелем с известным волновым сопротивлением. В идеальном случае длина этого кабеля должна быть минимальной, чтобы волновые эффекты (возбуждаемые в кабеле коммутационным процессом) не влияли на измерения. Но в практическом случае длина этого кабеля может быть не минимальна, при этом, если со стороны буфера будет обеспечено выходное сопротивление, близкое к волновому сопротивлению кабеля, то коммутационная волна, дойдя до буфера, не отразится назад, а в значительной мере поглотится выходным сопротивлением буфера, выполняющим роль активной нагрузки линии с этой стороны. Однако, чтобы этот принцип, уменьшающий влияние кабеля, работал, необходимо обеспечить требуемое выходное сопротивление буфера в полосе частот происходящего волнового процесса. С другой стороны, верхняя частота полосы частот данного процесса чрезвычайно широка (десятки – сотни МГц): она обусловлена большой скоростью нарастания переходных процессов в динамическом коммутаторе.

Воспользуемся приведёнными выше рисунками для объяснения принципа получения требуемого выходного сопротивления буфера в широкой полосе частот. Верхний рисунок с выходом буфера с общей землёй охватывает как случай подключения входа АЦП с общей землёй (с задействованием X, GND32, AGND), так и случай дифференциального подключения входа АЦП (X, Y, AGND). Нижний рисунок с  с выходом буфера по напряжению с ложной второй фазой подразумевает дифференциальную цепь соединения с дифференциальным входом АЦП. Далее, сначала приводим расчёт буфера, а затем сформулируем важные отличия рассмотренных схем и рекомендации по выбору ОУ.

Расчёт буфера. 

ОУ (А) в линейном режиме, охваченный отрицательной обратной связью (ОС), обеспечивает выходное сопротивление (на выходе А), близкое к нулевому, на тех частотах входного сигнала (Uвх), при которых велик собственный коэффициент К усиления ОУ с разомкнутой ОС. С ростом частоты сигнала у всех ОУ коэффициент K спадает, что приводит к росту выходного сопротивления ОУ с замкнутой ОС.

На низкой частоте в верхней приведённой схеме импеданс конденсатора С велик, поэтому цепь R2 – C влияния не оказывает и сопротивление буфера определяется величиной R1На высокой частоте – наоборот – выходное сопротивление ОУ велико, а импеданс конденсатора С близок к нулю и сопротивление буфера определяется R2. Если принять R= R2 и известна некая "средняя" частота f, при которой выходное сопротивление ОУ с замкнутой ОС равно RОУ(f) = R1= R2, то для того, чтобы на частоте f сопротивление буфера оставалось равным R1, необходимо, чтобы модуль импеданса цепи R2 – C был бы вдвое больше, чем  RОУ(f) = R1= R2. Это достигается, если модуль импеданса конденсатора |XC| на частоте f был бы в корень из трёх раз больше, чем RОУ(f) = R1= R2. В свою очередь, согласование с буфером длинной линии с волновым сопротивлением Z достигается при равенстве выходного сопротивления буфера волновому сопротивлению линии. Итого, получим расчётное соотношение для верхней приведённой схемы:

|Z| = R= R= RОУ(f) = |XC(f)|/√3, 

где |XC(f)| = 1/(2*π*f*C).

Аналогично рассуждая для нижней приведённой схемы, согласование с буфером длинной линии с волновым сопротивлением 2Z достигается, когда 

2*|Z| = R= R= R3 = RОУ(f) = |XC(f)|/√3.

Алгоритм расчёта выходной цепи буфера выглядит следующим образом:

  1. Определить из документации на кабель волновое сопротивление Y кабеля и выбрать величину
    |Z| = R1=R2​=​​Y​ (для верхней схемы) или |Z| = R1= R2​= ​​​​​R= 0,5*Y  (для нижней схемы). Для коротких соединений принять |Z|=50 Ом.
  2. Определить из документации на ОУ (или путём моделирования, или путём испытаний) частоту f, при которой выходное сопротивление ОУ с замкнутой ОС равно величине |Z|.
  3. Рассчитать С = 1/(2*π*f*|Z|*√3).  

Примечания:

  1. Строго говоря, при частоте f идеальных условий согласования линии не достигается из-за активно-ёмкостного характера импеданса буфера (для идеального согласования линии оно должно было бы быть чисто активным), кроме того, всегда присутствует реактивная составляющая выходного сопротивления ОС на частотах f с малым К.
  2. Для ОУ из класса видеоусилителей частота f может составлять от нескольких сотен МГц и выше. Для этого класса ОУ корректирующая цепь R2 – C драйвера вряд ли необходима. 

Особенности рассмотренных схем буферов.

  • Верхний рисунок с выходом буфера с общей землёй с подключением входа АЦП с общей землёй (с задействованием X, GND32, AGND) в многоканальном режиме предполагает, что потенциалы общих проводов источников сигналов равны и привязаны к общей точке измерения этого потенциала входом GND32. Технически это реально достичь, если вся конструкция (многоканальный буфер, линии с общей землёй и сам вход АЦП) лежит на единой электропроводной пластине шасси (или подстилающего полигона печатной платы, соединённой разъёмным соединением со входом АЦП). Таким образом, данная схема реализует исключительно внутриблочную конструкцию, в которую должен входить модуль АЦП и непосредственно стыкуемый с ним модуль согласования с многоканальным буфером.
  • Схема на верхнем рисунке с выходом буфера с общей землёй, с дифференциальным подключением входа АЦП требует соединения общих проводов источников сигналов только на стороне буферов (и в эту точку соединения следует подключить цепь AGND) – это реализовать уже возможно, в т.ч., и на коротких межблочных соединениях. Но качество данного соединения ограничивает несимметричный характер подключения, при котором синфазная помеха любой природы суммируется к полезному сигналу.
  • Схема на нижнем рисунке использует полезное свойство дифференциального входа подавлять синфазную помеху: при прочих равных условиях, по сравнению с остальными схемами, она обеспечивает существенно лучшее соотношение "сигнал-шум". Тем не менее, данная схема не предназначена для реализаций длинных кабельных соединений, поскольку не удаётся полностью избавиться от влияния кабеля из-за ограниченного качества согласования кабеля (по ряду технических причин). Кроме того, подсоединение цепи AGND к обшей точке буферов должно быть низкоимпедансным (при использовании единого группового кабеля для цепи AGND рекомендуется параллельно включать несколько проводов этого кабеля). Для цепей X и Y должны быть использованы парные провода кабеля, а величина 2Z – это величина дифференциальное волнового сопротивления этих пар (в формулах выше участвует модуль волнового сопротивления |Z|, поскольку теоретически Z – это комплексная величина). Согласование с синфазным волновым сопротивлением кабеля – это не слишком важно, поскольку синфазную составляющую дифференциальный вход подавляет, но на высоких частотах подавляет не так сильно, как на низких, поэтому дополнительное синфазное согласование этой линии – это один из возможных путей совершенствования данной схемы. Другой естественный путь повышения симметричности данной схемы это – драйвер с истинным дифференциальным выходом. Эти и другие возможные пути совершенствования схемы драйвера выходят за рамки данной статьи.

Предупреждение: Не пытайтесь данные буферные схемы совместить с звеном активного антиалазингового фильтра, включая RC-цепи с большой постоянной времени в ОС этого буфера, поскольку активный динамический процесс, происходящий в выходной цепи буфера при работе на динамический коммутатор АЦП, будет влиять на заряд конденсаторов в этих RC-цепях. Совершенно правильное стремление разработчика аналогового тракта ввести антиалайзинговый фильтр для улучшения качества оцифровки должно выливаться в добавление полноценного звена фильтра со стороны входной цепи (UВХ) данного буфера. С другой стороны, такой уровень сложности реализации аналогового тракта может быть уже не оправдан по цене технического решения, поскольку существуют готовые решения АЦП с высокоомным входом, без динамической коммутации на входе (LTR22, LTR24-1, LTR210E20-10, E20-10-1), имеющие антиалайзинговый фильтр в тракте измерения (LTR22, LTR24-1E20-10, E20-10-1).

Рекомендации по выбору операционного усилителя.

Ниже перечислены только требования к ОУ, относящиеся к рассматриваемым выходным параметрам буферных схем.

  1. Высокая частота единичного усиления ОУ (выше 10 МГц). Иначе, низкая частота единичного усиления ОУ при расчёте буферной схемы даст высокое значение С и постоянной времени согласующей цепи буфера, что может повлечь накопление постоянной составляющей заряда коммутационного процесса и увеличение погрешности измерения по DC.
  2. Внутренняя коррекция ОУ, обеспечивающая устойчивость работы ОУ при K=1.
  3. Выходной рабочий ток ОУ не менее ±15 мА.
  4. Симметричная архитектура выходного узла ОУ, обеспечивающая одинаковые максимальные втекающие и вытекающие токи.  
  5. Наличие данных в документации на ОУ (или наличие моделей, или экспериментальных данных) для определения выходного сопротивления ОУ с замкнутой ОС. Типично не на всех частотах выходное сопротивление ОУ с замкнутой ОС монотонно растёт, и у некоторых ОУ имеются существенные провалы выходного сопротивления в высокочастотной области. Выше был упомянут широкополосный ОУ из класса видеоусилителей с частотой единичного усиления и частотой f – сотни МГц и выше, для которых ВЧ-коррекция выходной цепи (R2 – C), скорее всего, не потребуется, но подобные ОУ часто не обладают необходимыми нормированными параметрами качества, которые свойственны ОУ из класса прецизионных. Однако, выбор ОУ по этим параметрам впрямую относится к требованиям задачи измерения пользователя, схемотехнике и расчёту входной цепи, цепи ОС и питания данного буфера. – Эти вопросы далеко уходят за рамки данной статьи. Также очевидно, что для построения подобного буфера не существует универсального оптимального варианта ОУ для всех задач измерения! 

 

Перейти к другим терминам       Cтатья создана:10.03.2019
О разделе "Терминология"      Последняя редакция:28.03.2019

Контакты

Адрес: 117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 5, корп. 4, стр. 2

Многоканальный телефон:
+7 (495) 785-95-25
Факс: +7 (495) 785-95-14

Отдел продаж: sale@lcard.ru
Техническая поддержка: support@lcard.ru

Время работы: с 9-00 до 19-00 мск

L-CARD в проектах