Az A/D-átalakítók meghajtóáramköreiről

Ha egy analóg jelet időben és amplitúdóban „hitelesen” kell digitális formába átalakítani, egy gyors és nagy felbontású A/D-konverter választásával a problémának csak egy részét oldottuk meg. A szenzorok mint jelforrások széles változatosságát kell illeszteni az aránylag standardizált bemenetű A/D-konverterekhez. Az ehhez szükséges jelkondicionáló elektronika tervezési „buktatóit” segítenek elkerülni az A/D-meghajtóerősítők.

Az analóg jelek feldolgozására – beleértve az A/D-átalakítók általi digitalizálást is – folytonosan növekszik az igény, mivel az analóg szenzorok alkalmazása egyre elterjedtebb a végfelhasználói piac legkülönbözőbb területein. A szenzorok teljes piaci részesedése évente 9%-kal növekszik. A végfelhasználói piac növekedése számos területből adódik össze: egyebek között a különféle IoT-alkalma­zásokból, a gyártásautomatizálás és irányítástechnika, az egészségügy és biztonságtechnika, az egészséggondozás és az autóipar területéről. Mivel a nagyobb felbontású és gyorsabb működésű A/D-átalakítók esetében a piaci trend a nagyobb felbontású és nagyobb működési sebességű eszközök alkalmazása, az ilyen megoldások költségei egyre inkább a megfizethető tartományba kerülnek.

Mit is takar az A/D-átalakítók meghajtóelektronikája?

Amint azt a nevük is mutatja, az ADC-meghajtók különleges erősítők, amelyeket arra terveznek, hogy olyan A/D-konverterekkel működjenek együtt, mint a szukcesszív approximációs, a „csővezetékes” vagy delta szigma-elven működő megoldások. Ezen különleges erősítők szerepe kritikus fontosságú, mivel ezek teszik lehetővé, hogy az A/D-konverterek a teljesítőképességük maximumán legyenek használhatók, és létfontosságúak a nagyobb sebességű és felbontású átalakítók működéséhez.

Az A/D-konverterek bemeneti tulajdonságai

Mielőtt részleteznénk azokat a műszaki követelményeket, amelyeket egy A/D-átalakító meghajtóerősítőjétől elvárunk, hasznos lehet a napjainkban használt A/D-konverterek bemeneti felépítésének rövid áttekintése. Egy differenciális jel úgy határozható meg, hogy két csomóponton egyenlő nagyságú, de ellentétes előjelű jel mérhető egy meghatározott, rögzített potenciálú ponthoz képest (ez esetben a viszonyítási pont potenciálját nevezzük a közös jel szintjének). A két bemeneti pontot jellemzően pozitív és negatív (más szóval neminvertáló és invertáló) bemeneteknek nevezzük, amint az az 1. ábrán is látható. A példában a bemeneti feszültség teljes tartománya – differenciálisan mérve – csúcstól csúcsig 5 V, mivel mindegyik bemeneti pont csúcstól csúcsig 2,5 V szélességű tartományban változik. A példa szerinti közös jelszint 2,5 V. A kor­szerű, nagyobb teljesítőképességű A/D-átalakítók többsége ezt a differenciális bemeneti felépítést követi, mivel ennek minősége meghaladja az aszimmetrikus bemeneti kialakítással elérhető szintet. Ezek a minőségi előnyök a következők: a differenciális bemeneti struktúra képes a bemeneteket érő közös módusú zaj- és zavarójelek elnyomására, továbbá 6 dB-lel (azaz kétszeresére) növeli a be­­meneti dinamikatartományt.

1. ábra Példa egy differenciális szinuszhullámú jelre

 
Az A/D-átalakítók különösen komoly kihívásokkal szembesíthetik a rendszertervezőket, mivel a különféle bemeneti mintavételezési megoldásokat „rendszerszinten” kell kezelni. A következő megfontolások során elsősorban azokra az A/D-átalakítókra helyezzük a hangsúlyt, amelyek kapcsolt kapacitással valósítják meg a bemeneti jel mintavételezésének feladatát. Ennek legegyszerűbb formájában a bemenetet egy aránylag kis kapacitású kondenzátor és egy analóg kapcsoló alkotja, amint az a 2. ábrán is látható. Amikor a kapcsoló az 1. állásban van, a mintavételező kondenzátor a mintavételezett bemeneti pont feszültségére (esetünkben Vs-re) töltődik. A kapcsoló ezután átvált a 2. állásba, amelyben a mintavételező kapacitásban tárolt töltés a mintavételező áramkör további részébe helyeződik át. Ez a folyamat ezt követően újra kezdődik.

2. ábra Egy egyszerű, kapcsolt kapacitásos A/D-konverter bemenetének felépítése

 
Egy, a fentiekben leírt, elválasztás (pufferelés) nélküli bemeneti fokozat jelentős rendszerszintű problémák forrása lehet. Azt az áramot, amely a mintavevő kapacitást a mérendő feszültségre tölti, annak a külső áramkörnek kell biztosítania, amelyre az A/D-átalakító bemenete csatlakozik. Amikor a mintavevő kapacitás a mintavételező bemeneti pontra (a 2. ábrán látható 1. csatlakozópontra) kapcsolódik, a kapacitás töltési folyamatának kezdetén nagy áramot kell előállítania. Ennek a pillanatszerűen jelentkező bemeneti áramlökésnek a csúcsértékét a mintavevő kondenzátor kapacitása, a kapcsolási frekvencia és a mintavételezett bemeneti pont feszültsége határozza meg. A kapcsolón folyó i_in áramot az alábbi egyenlet adja meg:

i_in = C·V·f

ahol C a mintavételező kondenzátor kapacitása, V a mintavételezett bemeneti pont feszültsége (a példánkban V_s, f pedig az az ismétlődési frekvencia, amellyel a mintavételező kapcsoló átkapcsolódik. A kapcsoló árama jelentős áramlökésekkel terheli a mintavételező bemeneti pontját, amint azt a 2. ábra is mutatja.
A kapcsoló áramának ezt a jelentős ingadozását az A/D-kon­verter bemenetét meghajtó áramkör tervezésekor figyelembe kell venni. Amint ugyanis ez a bemeneti áram bármilyen ellenálláson áthalad, feszültségesés jön létre, amely az A/D-átalakító bemeneti pontján feszültséghibaként jelenik meg. Ugyancsak hibát okoz az is, ha a mintavételező bemeneti pontján a feszültségnek nincs ideje állandósulni a következő mintavételi ciklus kezdetéig.

A megoldás: az AD-konverter-meghajtóerősítő

Ahhoz, hogy az A/D-átalakító nagyobb felbontását és sebességét ki tudjuk használni, kulcsfontosságú a szenzorjelek integritásának megőrzése, amely ugyanakkor jelentős kihívást is jelentő feladat. Az A/D-átalakító felbontásának és sebességének növekedtével a zajok hatása és a szenzorjel torzítása egyre jelentősebb. Az A/D-konverter magasabb mintavételi sebességeinél gondoskodni kell arról, hogy a bemeneti feszültségnek a mintavétel időpontjáig legyen ideje állandósulni, ugyanakkor a nagyobb sávszélességű bemeneti jeleknél ne történjen alulmintavételezés az alkalmazás „érdeklődésének” sávszélesség-tartományán belül.
Annak érdekében, hogy megoldást találjunk ezekre a jelfeldolgozási kihívásokra, számos A/D-konverteres alkalmazásban A/D-meghajtóerősítőt kell alkalmaznunk, amely elegendően gyors beállási időt és alulmintavételezés elleni védelmet garantál. Amint a fentiekben leírtuk, a legtöbb korszerű A/D-átalakító differenciális bemeneti felépítéssel rendelkezik. Az A/D meghajtó egyik fő funkciója az, hogy az aszimmetrikus bemeneti jelből differenciális jelet állítson elő (bár ugyanilyen egyszerűen lehet velük differenciális bemeneti jeleket is kezelni).
Az A/D-meghajtók másik fontos funkciója a bemeneti jel pufferelése, ami által leválasztja az áramkör további részeit, és ezzel megakadályozza, hogy hibajelet okozó töltés jusson az A/D-konverter bemeneti pontjára. Az A/D-meghajtó elegendően nagy töltésmennyiséget képes pillanatszerűen előállítani ahhoz, hogy a mintavételi pont feszültsége a jel pontos követéséhez szükséges időn belül állandósulni tudjon, és ezzel minimalizáljon bármilyen – a korlátozott beállási időből adódó – torzítást. A NyÁK-szintű tervezés során azonban gondoskodni kell arról, hogy az A/D-meghajtó kimenetei és a konverter bemenetei közötti áramvezető sávok ellenállása minimális legyen.
A legtöbb A/D-meghajtóerősítőnek van egy hardver-csatlakozópontja is, amely lehetővé teszi, hogy a felhasználó a közös módusú jel kompenzálásához szükséges feszültségszint-eltolást hajthasson végre. Ez a képesség ideális megoldás arra, hogy a differenciális jelet az A/D-konverter bemeneti feszültségtartományának közepes értékére állítsa be annak érdekében, hogy az átalakító bemeneti feszültségtartománya a legjobban legyen kihasználva. Mivel általános az a trend, hogy az áramkörök üzemi feszültségtartománya egyre kisebb, a konverter dinamikus feszültségtartományának jobb kihasználására van szükség, hogy a bemeneti jelet teljes felbontással digitalizálhassuk.
Végül pedig – a legtöbb erősítőalkatrészhez hasonlóan – az A/D-meghajtók is képesek az erősítésen kívül a bemeneti jel aktív szűrésére is. Megjegyezzük, hogy a legtöbb A/D-meghajtóerősítő erősítése aránylag kicsi, tipikusan csupán 1...2 V/V értékű. Azzal, hogy az erősítő zárt hurkú erősítését alacsony értéken tartjuk, a hurokerősítés maximális, amelynek eredménye a lehető legkisebb torzítás. Például, ha egy erősítő nyílt hurkú erősítése 100 dB, és 200-szoros (46 dB-es) zárt hurkú erősítésre van konfigurálva, csak 54 dB nyílt hurkú erősítéstartalék marad a linearitás biztosítására, ami a teljes jeltartomány 500-ad része. Ebből következik az az általános tervezési megoldás, amelyben külön erősítőfokozatot helyeznek el a jelforrás közvetlen közelében a jel/zaj viszony maximalizálása érdekében.
A szenzorok alkalmazásának széles körű elterjedése fokozott figyelmet váltott ki a legkülönfélébb végfelhasználói piaci szegmensekben a jelkondicionáló áramköri megoldások iránt. Mivel a nagy felbontású és gyorsabb működésű A/D-átalakítók ára csökken, egyre nagyobb kihívásokat támaszt a meghajtók teljesítőképességének ehhez igazodó növekedése.
Ahhoz, hogy az adatkonverterünk lehetőségeit a legjobban kihasználjuk, kritikus fontosságú az A/D-meghajtóáramkörök teljesítőképességének optimalizálása úgy, hogy elhanyagolható legyen a jeltorzításból, a zajból és a jelforrás követéséhez szükséges beállási időből eredő teljesítőképesség-csökkenés. Az olyan különlegességek, mint az MCP6D11 differenciális meghajtóerősítő, úgy vannak tervezve, hogy a lehető legjobban kihasználják a nagy sebességű és felbontású A/D-konverterek lehetőségeit.

Szerző: Kevin Tretter, termékmarketing vezető – Microchip Technology

www.microchip.com