В устройствах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования встречаются миниатюрные микросхемы, часто всего с 3 выводами. Несмотря на их кажущуюся простоту, они играют ключевую роль в процессе обработки сигналов. Речь идет об источниках опорного напряжения (ИОН) для преобразователей АЦП и ЦАП.
Опорные источники для АЦП и ЦАП
Одной из самых больших проблем для разработчиков устройств с аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми преобразователями является достижение приемлемо низкого уровня шума. Проблема становится тем более существенной, чем выше разрешающая способность преобразователя. Хотя во многих случаях достаточно 8-битных преобразователей (например многих осциллографов бюджетного класса), есть и такие, что требуют минимум 24-битной обработки. Например, фармацевтические лабораторные весы, которые, имея диапазон измерения 2,1 г, должны измерять с разрешением 0,1 мкг. В этом случае требуемое разрешение преобразователя больше 24 бит. Для достижения такого требуется сигнальная цепочка со сверхнизким уровнем шума.
Параллельный и последовательный ИОН
На рисунке показан пример подключения опорного напряжения к аналого-цифровому и цифро-аналоговому преобразователю. В обоих случаях опорное напряжение VREF выступает мерой, по которой сравнивается аналоговое входное напряжение, в результате этого сравнения в АЦП создается цифровой сигнал или по которому в АЦП формируется аналоговый сигнал. Видно, что качество опорного напряжения в значительной степени зависит от качества выходного сигнала, будь то цифровой или аналоговый. По мере увеличения разрешения преобразователя растут и требования к опорному напряжению. Обычно используемые монолитные чипы опорных источников выдают стабильные выходные напряжения, устойчивые к изменениям температуры окружающей среды и нагрузок, не чувствительны к входному напряжению, а их параметры сохраняют высокую стабильность во времени. Большинство АЦП и ЦАП с разрядностью 8 бит содержат встроенные ИОН. По технологическим причинам это обычно источники относительно низкого качества.
На практике используются две основные конфигурации эталонных источников. Это шунтирующие и последовательные. Они показаны на рисунке ниже. В последовательном источнике выходной ток протекает через последовательный транзистор, расположенный между входом VIN и выходом VREF. Такой источник можно считать прецизионным слаботочным линейным стабилизатором. Последовательный источник характеризуется меньшей потребляемой мощностью по сравнению с аналогичным шунтирующим ИОН. В принципе, для правильной работы шунтирующего источника не требуется избыточный ток. Эта разница становится незначительной, если ток нагрузки ниже 200 мкА. Наиболее важным является то, что оба типа источников демонстрируют одинаковую точность формирования опорного напряжения.
В целом, шунтирующие источники демонстрируют большую гибкость в отношении входных напряжений, они лучше подавляют шум входного напряжения, их проще использовать для построения источников отрицательных опорных напряжений, и реализовать ИОН с плавающими выходами.
На схемах источники опорного напряжения часто маркируются стабилитроном. Это могло бы предполагать использование в данном случае шунтирующего источника, но такой элемент схемы часто имеет лишь символическое значение и может быть с успехом заменен последовательным источником.
Технические характеристики ИОН
Параметры эталонных источников напряжения включены в документацию в унифицированном виде, как и параметры всех интегральных микросхем. Рассмотрим наиболее важные из них.
Температурный коэффициент
Зависимость напряжения VREF от температуры обозначена символом TC. Это температурный коэффициент, также известный как дрейф. Выражается в единицах ppm/°C (одна миллионная часть на градус Цельсия). Для установления внимания удобно представить это соотношение в виде полинома:
TC1 представляет температурную зависимость первого порядка (линейную), TC2 второго порядка и так далее. Все факторы выше первого порядка обычно объединяются и описываются как кривизна дрейфа.
Большинство монолитных чипов опорного напряжения основаны на зонных источниках (с запрещенной зоной). Опорное напряжение формируется путем суммирования напряжения, пропорционального абсолютной температуре (PTAT), с напряжением база-эмиттер дополнительного к абсолютной температуре (CTAT). В результате получается напряжение примерно 1,2 В, при котором TC1 близок к нулю. Коэффициенты TC более высокого порядка достигают ненулевых значений, поскольку напряжения PTAT и CTAT не являются идеально линейными. Обычно TC2 является доминирующим фактором. Источники, рассчитанные на дрейф менее 20 ppm/°C, чаще всего требуют специальных схем для минимизации TC2.
В других распространенных источниках опорное выходное напряжение формируется внутренним напряжением стабилитрона и напряжением база-эмиттер биполярного транзистора. Это позволяет создать стабильный ИОН порядка 7 В. По параметрам источники на стабилитронах аналогичны зонным источникам, но их шумовые свойства лучше. Источники на стабилитронах обычно требуют более высоких токов покоя и должны иметь напряжение питания выше 7,2 В. Поэтому их нельзя использовать в схемах с низким напряжением (3,3 или 5 В).
Температурный коэффициент может задаваться для нескольких различных диапазонов температур, включая коммерческий (0…70°С), промышленный (–40…85°С) и расширенный (–40…125°С). Температурные коэффициенты определяются несколькими методами, наиболее распространенным из которых является коробочный метод. Здесь TC рассчитывается на основе методов VREF и определяется в конечных точках диапазона (Tmin … Tmax). Ни один из методов не идеален. Недостатком метода конечных точек является то, что он не принимает во внимание какую-либо кривизну дрейфа (TC2, TC3 и т. д.). Расчет приращения TC от комнатной температуры до минимальной и максимальной температуры улучшает ситуацию, поскольку информацию о TC2 можно получить из трех точек вместо двух. Несмотря на то, что “коробочный” метод является более точным, чем метод конечной точки, TC может быть недооценен. Это так, если диапазон температур устройства меньше диапазона, в котором был указан ТС.
Начальная точность
Этот параметр определяет насколько близко к номинальному напряжению напряжение опорного источника при комнатной температуре и заданных условиях поляризации. Эта точность обычно указывается в процентах от 0,01% до 1% (100 … 10 000 частей на миллион). Например, опорное напряжение 2,5 В с начальной точностью 0,1 % должно находиться в диапазоне от 2,4975 В до 2,5025 В при комнатной температуре. Важность начальной точности зависит главным образом от того, откалибрована ли система обработки данных. Источники с внутренним стабилитроном имеют очень низкую начальную точность (5…10%) и в этом случае необходима калибровка.
Пиковый шум источника
Собственный шум источника опорного напряжения вызывает динамические ошибки, которые снижают отношение сигнал/шум (SNR) передатчика. Это вызывает снижение эффективного разрешения (ENOB). В документациях приведены два параметра шума. Один имеет дело разницей в максимальных и минимальных измерениях VREF во всем диапазоне температур, а в низкочастотном — с широкополосным шумом. Широкополосный шум определяется как среднеквадратичное напряжение шума в полосе частот от 10 Гц до 10 кГц и выражается в микровольтах. Этот шум можно относительно легко свести к минимуму с помощью конденсатора большой емкости, подключенного к выходу VREF. Влияние широкополосного шума зависит от ширины полосы обрабатываемого сигнала. В одних случаях этот шум будет больше, в других меньше. Низкочастотный шум напряжения VREF определяется в диапазоне от 0,1 до 10 Гц как размах напряжения. Он выражается в единицах мкВ или ppm. Поскольку фильтрация ниже 10 Гц нецелесообразна, низкочастотный шум составляет значительную часть общего шума, внося свой вклад в погрешность опорного напряжения.
Низкочастотный шум определяется с помощью активного полосового фильтра, состоящего из ячейки фильтра верхних частот 1-го порядка с частотой среза 0,1 Гц, за которой следует ячейка фильтра нижних частот n-го порядка с частотой среза 10 Гц. Установка фильтра нижних частот в таком порядке оказывает значительное влияние на измеренное значение размаха шума. Использование фильтра нижних частот 2-го порядка уменьшает размах 10 Гц на 50 % по сравнению с фильтром 1-го порядка.
Шум в диапазоне от 0,1 до 10 Гц называется фликер-шумом (1/f), он генерируется в источниках с запрещенной зоной и резисторах, поэтому масштабируется линейно с напряжением VREF. Например ИОН на 5 вольт будет иметь пиковое значение в 2 раза больше, чем источник на 2,5 вольта, помещенный в тот же компонент. Уменьшение этого шума в источнике с запрещенной зоной требует более высокого тока и больших размеров компонентов. Такие цепи эталонного источника с низким уровнем шума (<5 мкВ пик-пик), как правило, имеют большие токи покоя в диапазоне от сотен микроампер до миллиампер, а также корпуса большего размера. Источники с внутренними стабилитронами имеют наилучшие шумовые параметры. Этому способствует отсутствие каскада усиления. Цепи с запрещенной зоной имеют коэффициент усиления с обратной связью от 15 В/В до 20 В/В, что также приводит к усилению шума, создаваемого в самом источнике и в резисторе.
Термический гистерезис
Это параметр определяет сдвиг напряжения VREF из-за одного или нескольких скачков температуры. Термический гистерезис выражается в частях на миллион. Кроме того, следует также учитывать тепловое отклонение, определяемое как изменение температуры от комнатной до минимальной или максимальной температуры с последующим возвратом к комнатной температуре (например, 25°C -> 125°C -> 25°C). Вышеуказанные параметры, то есть диапазон температур (коммерческий, промышленный, расширенный) и определение теплового прогиба, могут различаться от производителя к производителю, что затрудняет сравнение. Термические вариации в более широком диапазоне температур обычно приводят к большему изменению VREF. Даже если температурный диапазон приложения узок, это тепловой всплеск при пайке микросхемы на печатную плату, а различные другие температурные явления вызывают тепловой гистерезис. Его основной причиной является термомеханическое воздействие на структуру микросхемы.
Таким образом тепловой гистерезис возникает не только в результате изменения температуры, но и под влиянием таких факторов, как возможные деформации корпуса, изменение параметров пластиковых компонентов, используемых для изготовления радиоэлемента, изменение крепления конструкции к корпусу, а также изменения самой конструкции.
Долговременная стабильность
Долговременная стабильность описывает типичные изменения VREF после 1000 часов непрерывной работы при номинальных условиях. Этот параметр позволяет оценить стабильность опорного напряжения в течение всего срока службы. Считается, что большинство изменений VREF происходит в течение первых 1000 часов, поскольку долговременная стабильность показывает логарифмическую зависимость от времени. Такое длительное время измерения неприемлемо в производственных условиях, поэтому долговременную стабильность определяют на небольшй партии чипов при комнатной температуре и принимают за типичную. Необратимые изменения напряжения на плате могут возникнуть после сборки источника опорного напряжения на печатной плате. Это может вызвать постоянное смещение VREF. Разработчик устройства должен размещать источники VREF в таких местах на печатной плате, которые меньше всего подвержены механической деформации. Элементы, заключенные в металлические корпуса, обладают наибольшей устойчивостью к механическим деформациям. Но все чаще используются пластиковые корпуса, и среди них элементы в малогабаритных корпусах наиболее подвержены механическим повреждениям. Например, источник в корпусе SO-8 будет лучше, чем тот же источник в корпусе SC70.
Параметр регулирования нагрузки
Это мера изменения напряжения VREF в зависимости от тока нагрузки, выраженная в процентах или в единицах ppm на миллиампер (ppm/mA). Этот параметр рассчитывается путем деления относительного изменения VREF при минимальном и максимальном токе нагрузки на диапазон тока нагрузки. Регулирование нагрузки зависит как от конструкции самого источника опорного напряжения, так и от паразитных сопротивлений между источником и нагрузкой. Поэтому ИОН должен быть установлен как можно ближе к нагрузке.
Во многих преобразователях сопротивление входа опорного напряжения настолько велико, что ошибка, вносимая параметром регулирования нагрузки, может быть незначительной. Информацию о максимальном токе нагрузки можно найти в даташитах АЦП/ЦАП, обозначаемых как минимальное сопротивление эталонного напряжения (RREF) или максимальный ток нагрузки (IREF). В решениях, в которых выход VREF буферизуется с помощью быстродействующего операционного усилителя, ошибка регулирования нагрузки обычно может игнорироваться. Двойное значение параметра регулирования нагрузки для шунтирующих источников определяет изменение VREF в зависимости от обратного тока нагрузки. Оно рассчитывается по той же формуле, что и раньше, при этом ток, текущий к источнику, заменяется текущим током (ISHUNT). Ток ISHUNT зависит от тока нагрузки и входного напряжения.
Параметр регулирования линии
Это мера изменения опорного напряжения в зависимости от входного напряжения. Этот параметр указывается только для последовательных источников опорного напряжения. Его значение зависит от допуска входного напряжения. Если оно находится в пределах 10% или меньше, то может не вносить значительного вклада в общую ошибку.
Также используется PSRR (Коэффициент ослабления источника питания), который описывает насколько изменение напряжения VREF зависит от изменения напряжения питания. Этот параметр может быть очень важен в устройствах где входное напряжение источника VREF получается от импульсных преобразователей. Аналогичным параметром для шунтирующих источников является обратное динамическое сопротивление, определяющее зависимость опорного напряжения от переменного тока. Шум питания шунтирующих источников VREF преобразуется RBIAS в шумовой ток.
Особые возможности
Для схем где энергопотребление критично, хорошим выбором являются последовательные источники VREF. Ток покоя большинства последовательных ИОН составляет от 25 до 200 мкА, но можно найти и с током покоя менее 1 мкА. К сожалению, низкий ток покоя достигается за счет точности и повышенного уровня шума. Некоторые источники серии VREF имеют входы Enable/Shutdown, которые снижают ток покоя до наноампер, когда опорное напряжение не требуется. Режим энергосбережения невозможен с шунтирующими источниками опорного напряжения. В свою очередь преимуществом последовательных источников является небольшая разница между входным и выходным напряжением – 200 мВ. Эти источники можно использовать при более низких входных напряжениях без каких-либо последствий. Использование шунтирующих источников в схемах с малым входным напряжением возможно, но связано с изменением тока смещения, происходящим при изменении входного напряжения, из-за того что сопротивление RBIAS должно быть низким.
Источники опорного напряжения не требуют большого количества внешних пассивных элементов, а правильный выбор тех из них, которые необходимы, может улучшить параметры VREF. Шунтирующий конденсатор на выходе VREF значительно улучшает PSRR (обратное динамическое сопротивление) на более высоких частотах. Его использование также улучшает переходную характеристику нагрузки и снижает высокочастотный шум. Наибольшие преимущества достигаются при максимально возможной мощности, и они зависят от стабильности источника VREF. В случае конденсаторов емкостью более 1 мкФ следует учитывать необходимость параллельного подключения конденсатора меньшей емкости и с низким ESR. Обратное динамическое сопротивление шунтирующего источника изменяется обратно пропорционально величине шунтирующего тока.
Некоторые последовательные ИОН имеют вывод Trim/Noise Reduction (NR), используемый для дальнейшего улучшения характеристик. Например, подключив резисторы к REF50xx, как показано на рисунке, вывод Trim/NR можно использовать для регулировки выходного напряжения в пределах ± 15 мВ. Этот выход также можно использовать для реализации фильтра нижних частот, чтобы уменьшить общий шум, присутствующий на выходе VOUT. Такой фильтр состоит из одного конденсатора. Но необходимо помнить что увеличение емкости С1 увеличит время запуска.
Цепи опорного напряжения обычно используются во многих устройствах, особенно с АЦП или ЦАП. Из-за большого интереса пользователей к этим элементам многие компании выпускают собственные варианты чипов с очень похожими или даже идентичными параметрами. Например оригинальная микросхема LM4040 имеет значение широкополосного шума 35 мкВ при выходном напряжении 2,5 В. Тот же чип с тем же обозначением, но от другого производителя, имеет широкополосный шум 350 мкВ, то есть в 10 раз выше, несмотря на то что начальная точность и температурный коэффициент одинаковы.
Выбор источника опорного напряжения начинается с поиска элементов, удовлетворяющих условиям проекта. В частности, это VREF, VIN, диапазон тока, потребляемая мощность и размер корпуса. Источник VREF также должен учитывать требования, предъявляемые к разрешающей способности преобразователя. Наиболее удобной точкой отсчета является значение младшего значащего бита (LSB). Мнемонический метод быстрого вычисления LSB в ppm состоит в том, чтобы разделить миллион на 2 в степени N, где N — количество битов в преобразователе.
АЦП и ЦАП имеют свои собственные источники ошибок, такие как интегральная нелинейность (INL), дифференциальная нелинейность (DNL) и ошибки усиления и смещения. Рассматривая случай популярного однополярного преобразователя напряжения можно предположить, что погрешность опорного напряжения функционально эквивалентна погрешности коэффициента усиления. Параметры INL и DNL не зависят от опорного напряжения. Ошибки усиления и смещения можно понять, если предположить, что однополярные АЦП и ЦАП имеют два опорных напряжения, VREF и GND, а для биполярных преобразователей это: VREF и -VREF. Ошибка смещения представляет собой отклонение на выходе (в битах для АЦП и в напряжении для ЦАП) от идеального нижнего опорного значения – MFS (GND или -VREF) при форсировании сигналом, соответствующим MFS.
Ошибка усиления представляет собой отклонение от идеального положительного выходного значения полной шкалы (PFS) при полной силе за вычетом ошибки смещения. Опорное напряжение PFS равно VREF, поэтому любой сдвиг опорного напряжения эквивалентен ошибке усиления. На PFS влияют такие ошибки как начальная точность, температурный коэффициент и долгосрочный дрейф. Они связаны с VREF, поэтому ошибка опорного напряжения может привести к потере динамического диапазона входных сигналов вблизи PFS, что отразится на точности обработки.
Погрешность опорного напряжения для входного сигнала, близкого к половине диапазона, вдвое меньше, чем для входного сигнала размера PFS, и незначительна для сигналов вблизи MFS. Например, эталонная ошибка в 8 LSB в худшем случае приведет к потере 3 битов точности для сигнала PFS, 2 битов для середины диапазона и без потери точности для MFS. Следовательно в схеме с приоритетом динамического диапазона важно использовать максимально допустимое опорное напряжение, чтобы свести к минимуму потерю точности для сигналов конца диапазона.
