Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps
Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 9 и 10
Описание решения
В данном решении усилитель сверхнизкой мощности используется для управления АЦП SAR, уровень энергопотребления которого в активном режиме измеряется в нановаттах. Решение предназначено для использования в системах сбора данных с датчиков с общим уровнем потребления в несколько микроватт. Примерами таких систем являются пассивные инфракрасные датчики, датчики газа и глюкометры. Значения в разделе выбора компонентов могут быть скорректированы в соответствии с требуемой скоростью передачи данных и полосой пропускания усилителя. В предыдущей части рассматривается более сложная версия схемы, где на канал отрицательного напряжения подается небольшое отрицательное напряжение (-0,3 В). Вариант схемы с одним источником питания показывает пониженную производительность, когда выходной сигнал усилителя близок к нулю. Однако в большинстве случаев конфигурация с одним источником питания является более предпочтительной благодаря простоте (рисунок 10, таблица 11).
Рис. 10 Несимметричная схема с одним ИП
Таблица 11. Спецификации упрощенной версии 12-битной несимметричной схемы
Рекомендуем обратить внимание
Определите линейный диапазон операционного усилителя на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе выбора компонентов.
Используйте конденсаторы COG для минимизации искажений.
Используйте пленочные резисторы 0,1% 20 ppm/°C или более высокой точности для минимизации искажений.
В серии обучающих видеороликов TI “Precision Labs – ADCs” показаны методы выбора элементов цепи зарядного сегмента Rfilt и Cfilt. Данные параметры компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации преобразователя данных и конструкции самого преобразователя. Приведенные здесь значения позволяют получить хорошие показатели установления сигнала и динамические характеристики для усилителя и преобразователя данных в этом примере. В случае изменения дизайна вам понадобится выбрать другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео “Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП”, в котором представлена дополнительная информация по выбору RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.
Выбор компонентов
Передаточные характеристики для постоянного тока
На рисунке 11 показано изменение выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения схемы повторителя от 0 до 4,5 В. Из графика видно, что полный диапазон АЦП (FSR) находится в линейной области схемы усиления.
Рис. 11. График зависимости выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 4,5 В
Передаточные характеристики по переменному току
Полоса пропускания моделируется равной 7,02 кГц при коэффициенте усиления 0 дБ, что является линейным коэффициентом усиления 1. Данная величина пропускной способности позволит добиться установления сигнала при 1 ksps (рисунок 12).
Рис. 12. Полоса пропускания схемы
Моделирование установления входного сигнала АЦП
Далее приводится моделирование установления входного сигнала на значение 3 В постоянного тока (рисунок 13). Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно при значении ошибки в пределах ½ МР (402 мкВ). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection”.
Рис. 13. Установление входного сигнала при постоянном токе
Моделирование шума
В этом разделе описывается метод упрощенного расчета уровня шума (формула 1). В приведенных вычислениях мы пренебрегаем шумом резистора, поскольку он затухает при частотах выше 10 кГц.
Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения совпадают (рисунок 14). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Calculating the Total Noise for ADC Systems”.
Рис. 14. Частотная характеристика уровня шума
Мера БПФ
Данная характеристика была измерена на модифицированной версии ADS7042EVM-PDK (рисунок 15). Получены следующие характеристики по переменному току: SNR = 70,8 дБ, THD = –82,7 дБ и ENOB (эффективное количество бит) = 11,43, что хорошо согласуется с указанными характеристиками АЦП — SNR = 70 дБ.
Рис. 15. Измеренные характеристики БПФ и переменного тока для ADS7042 и LPV811 с двумя источниками питания
Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности представлены в таблице 12.
Таблица 12. Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности
Источник: https://www.compel.ru/lib/articles/povarennaya-kniga-razrabotchika-analogovyih-shem-analogo-tsifrovyie-preobrazovateli-3?utm_source=easyelectronics.ru&utm_medium=referral&utm_campaign=cookbook_adc&utm_content=20190318&utm_term=adc3
admin
