Источник опорного напряжения: фильтр улучшающий отношение сигнал/шум 32-битного АЦП на 6 дБ
Источник опорного напряжения: для достижения оптимального отношения сигнал/шум на выходе АЦП недостаточно лишь подать на его вход сигнал с низким уровнем шума. Не менее важно обеспечить низкий шум источника опорного напряжения (ИОН).
Если в нижней части шкалы входных напряжений шумы ИОН не оказывают влияния на выходной сигнал, то при полной шкале любой шум источника опорного напряжения будет виден в выходном коде.
Вот почему динамический диапазон определенного АЦП, измеренный в начале шкалы, обычно на несколько децибел лучше, чем отношение сигнал/шум, измеренное в конце шкале или около него. Обеспечение низкого шума ИОН имеет особенно большое значение в приложениях передискретизации, где отношение сигнал/шум АЦП может превышать 140 дБ. Для достижения таких значений отношения сигнал/шум даже самым лучшим источникам опорного напряжения потребуется определенная помощь, чтобы снизить уровни их шумов.
Есть несколько альтернатив, способных уменьшить шум, который выдает источник опорного напряжения. Увеличение емкости блокировочного конденсатора на выходе ИОН или использование простого RC-фильтра нижних частот не могут быть хорошими альтернативами. Блокировочный конденсатор большой емкости на выходе опорного источника сам по себе не способен обеспечить достаточно низкую частоту среза, чтобы эффективно воздействовать на шум.
Пассивный RC-фильтр может обеспечить низкую частоту среза, но его выходное напряжение будет зависеть от частоты дискретизации и температуры. Эффективной альтернативой было бы параллельное объединение выходов нескольких малошумящих источников опорного напряжения, но этот вариант дорог и потребляет много энергии.
Описанный здесь фильтр, при умеренной стоимости и небольшом энергопотреблении, вырабатывает опорное напряжение с низким уровнем шума без существенного ухудшения точности или температурного коэффициента ИОН.
Источник опорного напряжения: описание схемы
В этом примере используется АЦП LTC2508-32 (U1). LTC2508-32 представляет собой малошумящий малопотребляющий 32-бтный АЦП последовательных приближений с цифровым фильтром нижних частот, коэффициент децимации которого может иметь четыре значения от 256 до 16384, выбираемых выводами микросхемы. Чтобы в полном объеме реализовать характеристики LTC2508-32, заявленные изготовителем микросхемы, необходим источник опорного напряжения с низким уровнем шумов и низким температурным дрейфом.
В качестве источника опорного напряжения в этом примере использована микросхема LTC6655-5 (U2). LTC6655-5 обеспечивает высокую точность (максимальная ошибка ±0.025%) и исключительно низкие значения шумов (типовое значение 0.67 ррт с.к.з.) и дрейфа (не более 2 рртГС). Но даже при столь исключительных шумовых характеристиках LTC6655-5 все равно ухудшит отношение сигнал/шум АЦП LTC2508-32.
LTC2057 (U3) — это операционный усилитель с нулевым дрейфом и подавленным фликкер-шумом (1/f). Входной ток смещения LTC2057 составляет менее 200 пА, максимальное напряжение смещения равно 4 мкВ, а температурный коэффициент напряжения смещения не превышает 0.015 мкВ/°С. Это значительно меньше, чем температурный коэффициент микросхемы LTC6655-5 (2ррт/°С = 10мкВ/°С).
Малошумящий операционный усилитель LT6202 (U4) отличается быстрым установлением и большой перегрузочной способностью, необходимой для зарядки блокировочного конденсатора 47 мкФ, который, согласно техническому описанию, должен быть подключен к выводу REF микросхемы LTC2508-32.
В схеме на Рисунке 1 выходное напряжение опорного источника U2 фильтруется элементами R2 и СЗ, образующим фильтр нижних частот с частотой среза 0.8 Гц. Конденсатор СЗ должен быть пленочным. Танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы имеют большие утечки, которые создадут напряжение смещения на резисторе R2. Керамическим конденсаторам присущ микрофонный эффект, увеличивающий низкочастотные шумы.
Отфильтрованное выходное напряжение буферизуется усилителем U3 с высоким входным напряжением. При максимальном токе смещения микросхемы U3, равном 200 пА, наибольшее падение напряжения на резисторе R2 составляет всего 2 мкВ. Обусловленная этим ошибка, с учетом напряжения смещения микросхемы LTC2057, не превышает 6 мкВ, что относительно незначительно по сравнению с мак-симальной начальной погрешностью LTC6655-5, равной 0.025% (1.25 мВ).
U3 и U4 образуют составной усилитель, низкое смещение, низкий температурный дрейф и подавленный шум 1/f которого обусловлены микросхемой LTC2057, а быстрое установление — микросхемой LT6202.
Вывод REF микросхемы U1 разряжает конденсатор С1 со скоростью, зависящей от частоты выборки и выходного кода. Чтобы поддерживать фиксированное напряжение на выводе REF, усилитель U4 этот заряд должен пополнять. Резистор R5 используется для изоляции выхода U4 от конденсатора С1, чтобы улучшить установление напряжения на выводе REF.
Физически более крупные керамические конденсаторы с более высокими рабочими напряжениями и температурами имеют более низкие коэффициенты напряжения, обеспечивая более высокую эффективную емкость. По этой причине в качестве С1 должен использоваться конденсатор X7R типоразмера 1210 с допустимым напряжением 10 В.
Характеристики схемы
Как видно из Таблицы 1, поведение LTC2508-32 практически соответствует теории, демонстрируя расширение динамического диапазона почти на 6 дБ для каждого четырехкратного увеличения коэффициента децимации при соединенных входах АЦП и выводе REF, управляемом непосредственно от LTC6655-5.
Дополнительно в Таблице 1 показано, что в начале шкалы АЦП отношение сигнал/шум по сравнению с динамическим диапазоном меньше на целых 7.8 дБ, если использовать LTC6655-5 для непосредственного управления выводом АЦП REF. Это связано с шумом, который выдает источник опорного напряжения. Использование схемы, показанной на Рисунке 1, для управления выводом REF микросхемы LTC2508-32, как следует из Таблицы 1, улучшает отношение сигнал/шум Д0б.1дБ.
Операционные усилители, стабилизированные прерыванием, такие как LTC2057, часто создают помехи на частоте прерывания и нечетных гармониках. Используемая в LTC2057 схема подавляет эти артефакты до уровня, лежащего значительно ниже ее напряжения смещения.
Эта схема в сочетании с собственным фильтром АЦП устраняет любые видимые помехи с частотой прерывания операционного усилителя, что подтверждается графиком шумового порога на Рисунке 2. График на Рисунке 2 получен в результате усреднения пяти выборок данных, чтобы сгладить шумовой порог и попытаться выявить даже самые незначительные следы любых паразитных тонов.
Заключение
Была продемонстрирована схема фильтра, способного снизить выходной шум источника опорного напряжения без ущерба для его точности или температурного коэффициента при умеренной стоимости и небольшом потреблении энергии. Подключение выхода этой схемы к выводу опорного напряжения микросхемы LTC2508-32 — 32-разрядного малошумящего АЦП — улучшило отношение сигнал/шум, в зависимости от коэффициента децимации, на величину до 6.1 дБ по сравнению с вариантом, когда выход ИОН подключается непосредственно к опорному входу АЦП.