Az AD-átalakítók meghajtóerősítői

Pontosan kíván digitalizálni egy gyorsan változó jelet? A válasz egyszerűnek tűnik: vegyen egy gyors és nagy felbontású AD-átalakítót. Ám a helyzet ennél bonyolultabb: a mért jel forrását közvetlenül a konver­terre juttatva az eredmény csalódást kelthet. A jelforrás és az AD-kon­verter közötti illesztést gyakran külső jelkondicionáló erősítőre kell bíznunk.

Mi az az analóg-digitál átalakító meghajtóerősítő,
és miért van rá szükség?

Mint a nevük is mutatja, az analóg-digitális átalakítók meghajtói olyan különleges erősítők, amelyeket arra terveztek, hogy az olyan AD-átalakítókkal működjenek együtt, mint a szukcesszív approximációs, a futószalag- (pipeline-) rendszerű és delta-szigma architektúrák. Ezek a különleges erősítők kritikus fontosságú részegységek, amelyek lehetővé teszik, hogy az AD-átalakító teljesítőképessége maximumát nyújtsa. Ezt az alábbiakban részletesebben is megvizsgáljuk. Az analóg jelkondicionálás fontossága – nem utolsósorban az AD-átalakítók bemenetén – folyamatosan növekszik annak következtében, hogy az analóg érzékelők, szenzorok egyre nagyobb szerephez jutnak a végfelhasználói piac szegmenseinek széles körében. Ezek a végfelhasználói piacok az alábbiakat foglalják magukban:

• kommunikáció,
• orvosi, biológiai és egészségmegőrzési alkalmazások,
• fogyasztási cikkek,
• ipari rendszerek,
• automotív alkalmazások.

Az analóg-digitális átalakítók (ADC-k) piaci trendjeiben legfőképpen a nagyobb felbontást, a gyorsabb működést és az alkalmazások megfizethető árát ismerhetjük fel.

Az ADC-bemenetek tulajdonságai

Mielőtt részletesen megvizsgálnánk azokat a műszaki követelmé­nyeket, amelyeknek az ADC-k meghajtóerősítőinek kell megfelelniük, tekintsük át röviden a jelenkor technikai fejlettségének megfelelő AD-átalakítók bemeneteinek tulajdonságait. Tételezzünk fel egy differenciális jelet, amelyet két bemeneti pontra kapcsolódó két jel alkot. A két bemeneti ponton a jelek egyenlő mértékben, de ellentétes irányban térnek el egy rögzített egyenszinttől, amelyet közös módusú jelszintnek nevezünk. A két jelbemenetre tipikusan pozitív vagy negatív (neminvertáló és invertáló) bemenetként hivat­kozunk, amint az az 1. ábrán látható. Ebben a példában a maximális megengedett bemeneti jeltartomány (csúcstól csúcsig mérve) 5 V_p-p, mindegyik bemeneten 2,5 V_p-p feszültségváltozással. A példában a közös módusú jelszint 2,5 V. A jelenkori magasabb teljesítőképességű AD-átalakítók többsége ilyen differenciális bemeneti architektúrával készül, amely – az aszimmetrikus bemenetekhez képest – jobb teljesítőképességű működést tesz lehetővé. Ezen előnyök között megtalálható a közös módusú zaj és zavarójelek elnyomásának képessége, valamint a dinamikus jeltartomány 6 dB-es (kétszeres) megnövekedése.

1. ábra Differenciális, szinuszhullámú bemeneti jel

Az AD-átalakítók különösen nehéz kihívással szembesítik a rendszertervezőket azáltal, hogy rendszerszinten nagymértékben különböző bemeneti mintavételi architektúrákat kell figyelembe venni. Ennek bővebb kifejtéséhez vegyük példának azokat az AD-átalakítókat, amelyeknél a bemeneti mintavételezés kapcsolt kapacitásos felépítéssel valósul meg. Ennek a legegyszerűbb változata egy aránylag kis kapacitású kondenzátorból és egy analóg kapcsolóból épül fel, amint azt a 2. ábra mutatja. Amikor az analóg kapcsoló az 1. állásban van, a mintavevő kondenzátor a minta­vételezett bemeneti csatlakozópont feszültségére, esetünkben V_s-re töltődik. A kapcsoló ezt követően a 2. állásba vált, és ezzel a mintavevő kondenzátorban felhalmozott töltést a mintavételi áramkör további szakaszára vezeti. Ez a folyamat periodikusan ismétlődik.
Ha a kapcsolt kapacitás meghajtóerősítő nélkül kapcsolódik a jelbemenetre, ahogy azt a példánk is mutatta, az jelentős rendszerszintű problémákat okozhat. Azt az áramot, ami a minta­vevő kondenzátornak a bemeneti jelszintre való feltöltődéséhez szükséges, az AD-konverter bemenetére csatlakozó külső áramkörnek kell biztosítania. Amikor a kondenzátor a mintavételi bemenetre kapcsolódik (a 2. ábrán a kapcsoló 1. állásában), a kondenzátor töltési folyamatának kezdetén jelentős mértékű csúcsáramot kell előállítani. Ennek az áramnak a nagysága a mintavevő kondenzátor kapacitásától, a kapcsolási frekvenciától és a minta­vételi bemeneti pontra kapcsolt feszültség nagyságától függ. Ezt a kapcsolt áramértéket az alábbi kifejezéssel adhatjuk meg:

i_in = C·V·f

– ahol C a mintavevő kondenzátor kapacitását, V (a fentiekben V_s) a mintavételi bemenet feszültségét, f pedig a kapcsoló két állása közötti átkapcsolás ismétlődési frekvenciáját jelöli. Az így keletkező bemeneti áramnak jelentős csúcsértékei keletkeznek akkor, amikor a kapcsoló az 1. állásba vált, amint az a 2. ábrán is látható.

2. ábra Egyszerű kapcsolt kapacitásos bemenet vázlata

Ezeknek a kapcsolási áramcsúcsoknak a következményeivel számolnunk kell akkor, amikor megtervezzük az AD-konverter mintavételi bemenetét meghajtó analóg áramkört. Amikor ez az áram valamilyen ellenálláson áthalad, feszültségesés keletkezik, amely feszültséghibaként jelentkezik az AD-konverter mintavételi bemenetén. Jeltorzítás keletkezik akkor is, ha a bemeneti pont feszültsége nem tud teljesen beállni a következő mintavételi ciklus kezdetéig.

A megoldás: az AD-konverter meghajtóáramköre

A szenzorjel integritásának fenntartásától az új átalakítók nagyobb felbontásának teljes kihasználásáig tartó igények körében a nagyobb sebességű AD-konverterek használata komoly kihívást jelent. Az AD-konverter felbontásának és sebességének növe­kedtével a zaj és a szenzorjel torzítása egyre szembetűnőbbé válik. Az AD-konverter magasabb mintavételi sebességénél ügyelni kell arra, hogy a mintavétel megtörténte előtt a bemeneti jel értéke állandósuljon, és a jelek sávszélessége ne haladja meg a számunkra érdekes jelsávszélességet.
Annak érdekében, hogy megfeleljünk ezeknek a jelkon­di­cionálási kihívásoknak, sok AD-konverter-alkalmazás kívánja meg olyan konvertermeghajtó áramkör alkalmazását, amely elegendően gyors beállási időt biztosít és elkerüli az alul-minta­vételezésből eredő jeltorzulásokat. Amint azt a fentiekben leírtuk, a legkor­szerűbb AD-konverterek differenciális bemeneti struktúrával rendelkeznek. Az AD-konverterek meghajtóáramköreinek egyik fő funkciója, hogy a bemeneti aszimmetrikus jelet differenciális kimenőjellé alakítsa át. Az AD-konverterek meghajtó­áramkörének másik funkciója a bemeneti jel terhelésének lecsökkentése (puffe­relése), más szóval a további áramkörök elválasztása az AD-konverter töltésbevitellel okozott terhelő hatásától. Az ADC-meghajtóerősítő elegendően nagy pillanatszerű töltésleadási képességgel rendelkezik ahhoz, hogy a mintavételi bemenet elég gyorsan beállhasson a bemeneti értékre, és ezzel követni legyen képes a bemeneti jel gyors változását, és ezzel minimálisra csökkentse a korlátozott sebességű beállás miatt keletkező torzítást.
A legtöbb ADC-meghajtóerősítőnek van egy hardver-csatlakozópontja is arra, hogy lehetővé tegye a felhasználónak a szint­eltolást a közös módusú feszültség kezelése érdekében. Ez a képesség ideális megoldást kínál arra, hogy a meghajtóerősítő dif­ferenciális kimenetét az AD-átalakító bemeneti feszültség­tartományának közepére állítsa be, amellyel a legjobban lehet kihasználni az AD-konverter dinamikatartományát.
Végül pedig, a legtöbb erősítőalkatrészhez hasonlóan az ADC-meghajtók is alkalmasak a bemeneti jel erősítésére, illetve analóg aktív szűrőfunkciók megvalósítására. Itt kell megjegyez­nünk, hogy a legtöbb ADC-meghajtóáramkörrel csak aránylag kis erősítést (1 vagy 2 V/V-ot) lehet megvalósítani. Azáltal, hogy az erősítők zárt hurkú erősítését alacsony értéken tartják, a hurok­erősítés maximális, amely a legkisebb torzítást eredményezi. Például, ha egy erősítő nyílt hurkú erősítése 100 dB, és 200-as értékű (46 dB-es) zárt hurkú erősítésre van konfigurálva, csak 54 dB nyílt hurkú erősítéstartalékot hagy a linearitás megvalósítására (ez 1:500-as arányt jelent). A probléma általánosan használt megoldása egy másik jelerősítő fokozat beépítése szorosan a jelforrás közelébe.
Ahhoz, hogy a legjobbat hozhassuk ki az adatkonverterünkből, olyan ADC-meghajtót kell használnunk a maximális teljesítő­képesség érdekében, amelynek elhanyagolható a torzítása, a zaja és a mérendő jelhez való beállás idejéből adódó hibája. Az MCP6D11 differenciális meghajtóáramkört kimondottan arra terveztük, hogy maximalizálja az olyan nagysebességű ADC-k teljesítőképességét, mint az MCP33131, amely egy 16 bites, 1 Mminta/s mintasebességű, szukcesszív approximációs AD-konverter. Az MCP331x1 (ADM00873) értékelőpanelünk segítségével az érdeklődő meggyőződhet arról, hogyan működik együtt ez a két alkatrész a teljesítőképesség maximalizálása érdekében.

Szerző: Kevin Tretter,
vezető marketingmérnök –
Microchip Technology, Inc.

www.microchip.com