Сопряжение операционных усилителей со скоростными ЦАП часть 2. ЦАП с токовым выходом, отдающим ток Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сопряжение операционных усилителей со скоростными ЦАП

Часть 2. ЦАП с токовым выходом, отдающим ток

Большинство быстродействующих ЦАП — это ЦАП с токовым выходом. Они имеют комплементарные выходы, которые или отдают, или принимают ток. В первой части статьи [1] обсуждалось сопряжение между ЦАП, принимающим ток, и операционным усилителем (ОУ). В этой части статьи говорится о сопряжении между ЦАП, отдающим ток, и ОУ. Такое сопря-Джим КАРКИ (Лт КАРК1) жение позволяет разработчику использовать полный диапазон рабочих

Перевод: Екатерина ЛЕДЕНЁВА напряжений ЦАП.

Введение

Эта серия статей фокусируется на использовании высокоскоростных ЦАП в конечном оборудовании, где требуется связь по постоянному току, например в генераторах сигналов с полосами пропускания частот до 100 МГц и несимметричным выходом. В этих случаях быстродействующие ОУ могут обеспечить хорошее решение для преобразования комплементарного токового выходного сигнала быстродействующего ЦАП в напряжение.

Предполагается, что читатель знаком с работой ЦАП с комплементарным токовым выходом. Информацию для общего представления можно найти в [2]. Подход к разработке во второй части статьи аналогичен первой [1], за исключением того, что вместо используемого в части 1 ЦАП, принимающего ток, для получения расчетных уравнений здесь используется ЦАП, отдающий ток. В связи с этим около половины уравнений аналогичны и около половины видоизменены.

РМ А\ мг Каскадная 11 схема источника тока 11 ОБ ро 1 Примеры устройств: □АС902, ОАС2902, ОАС5662, ОАС5674 1 1 1

Кл ОЧИ \ Р !

1 Рабочий диапазон 1 1 1 1 выходных напряжений: 1оит1 Ьитг —1»0...+1,25 В

Рис. 11. Упрощенный источник тока PMOS

Архитектура и диапазон рабочих напряжений ЦАП, отдающих ток

На рис. 11 показан упрощенный пример PMOS источника тока и перечислены некоторые устройства, в которых он используется. Показанный здесь диапазон рабочих напряжений — это диапазон напряжений на выходах ЦАП, внутри которого устройство будет работать правильно. При более высоких напряжениях выходы начинают запираться, а более низкие напряжения могут вызвать пробой. Чтобы обеспечить наилучшие рабочие характеристики и долгосрочную надежность прибора, следует избегать обоих этих случаев.

Обычно выход соединяется через какой-либо импеданс с «землей». Этот импеданс образует путь прохождения тока, необходимый для массива источников тока, а перепад напряжений на том же импедансе может быть использован в качестве выходного напряжения. Такой импеданс может быть реализован различными способами: это может быть простой резисторный делитель, импеданс с трансформаторной связью или активная схема, такая как ОУ. В этой статье рассматривается сопряжение с ОУ.

Сопряжение с операционным усилителем

Предлагаемое сопряжение с ОУ показано на рис. 12. Эта схема обеспечивает смещение выходов ЦАП, преобразует токи ЦАП в напряжения и формирует несимметричное выходное напряжение. ОУ представляет собой активный усилительный элемент схемы и включен как дифференциальный усилитель:

• 1вас+ и !оас- — выходные токи ЦАП.

• R2 и R3 — входные резисторы на положительном входе ОУ.

• RG и RF — главные резисторы регулировки усиления ОУ.

• RX, R1, RY и R4 обеспечивают смещение и согласование импеданса для выходов ЦАП.

• ^тс+ и Ушс_ — выходные напряжения ЦАП.

• Ур и Уп — сигналы на входных выводах ОУ.

• У5+ и У5_ — источники питания ОУ.

Правильный выбор компонентов обеспечит импеданс, требуемый для поддержания рабочего диапазона напряжения с максимальной амплитудой и баланса для наилучшей работоспособности. Анализ

- Цепь смещения ЦАП

ЗАС+ ■ “Г , —•

«хП ' / 4

*1 I У ' / *2

Входные резисторы " на положительном входе ОУ

_ — _ _ У8-

-сп—V-

«о*

\

Резисторы, задающие усиление ОУ

Рис. 12. Предлагаемая схема сопряжения с операционным усилителем

схемы, за исключением незначительных изменений, связанных с изменением полярности тока ЦАП (вытекание вместо втекания) и изменением диапазона рабочих напряжений относительно «земли» вместо напряжения питания АУЖ, взят из [1]. Схема, показанная на рис. 12, позволяет разработчику использовать максимальный диапазон рабочих напряжений согласования ЦАП.

Такая модель сопряжения предлагается для того, чтобы сбалансировать входные напряжения схемы дифференциального усилителя. При этом подавляются гармоники второго порядка, а также ожидается небольшое влияние и на гармоники третьего порядка. Кроме того, поскольку при этом обеспечивается больший размах напряжений на выходе ЦАП, чем при простом подключении нагрузки к «земле», коэффициент усиления ОУ будет меньше при тех же требованиях к выходному напряжению.

Анализ

положительной части схемы

На рис. 13 показана цепь для анализа положительной части схемы. Уравнение узла на выходе УШС+ аналогично тому, что приведено в [1], но с учетом изменения полярности 1плс+:

принимающего ток, которая приведена в [1], где установка 1тс+ = 0 мА приводит

к УDAC+ = УDAC+(max).

С учетом этих допущений для решения уравнений (20) и (21) относительно 1^ можно применить алгебраические методики и методики решения системы уравнений:

_1_

Л,

1

1

1+-

^ОАС+(тіл)

Я2+Я3

(22)

Уравнение для выходного импеданса ЦАП остается прежним:

^вас+ = —х 11 —1 11 №2+^)- (21)

Для решения уравнений (20) и (21), представляющих собой систему, в которой переменных больше, чем самих уравнений, разработчик должен выбрать или определить величины, основываясь на дополнительных данных. В настоящей статье сделаны следующие допущения:

1. Выходной ток ЦАП, -ТШС+, и размах напряжения, Удас+, определяются разработчиком для установки целевой величины для 2шс+.

2. Для определения Уквр используется существующее напряжение схемы или другое известное напряжение.

3. В дифференциальном усилителе отношение —3/—2 должно быть равно отношению —р/RG для балансировки коэффициента усиления усилителя.*

4. Уравнения решаются при условии, что ток ЦАП в положительной части схемы равен нулю (!ШС+ = 0 мА). Это, в свою очередь, установит напряжение ЦАП в положительной части схемы на его минимальное

значение ^АС+ = ^АС+(тт). Обратите внимание, что эта величина отличается от соответствующей величины для ЦАП,

Известное значение для Й1 можно подставить в (21), которое затем можно перегруппировать для нахождения величины 1/Лх. Результат аналогичен приведенному в [1]:

1/Кх = 1/ZDAС+—1/R1—1/(R2+R3). (23)

Анализ отрицательной части схемы

На рис. 14 показана цепь для анализа отрицательной части схемы. Уравнение узла на выходе VDAc- такое же, как и в [1], за исключением изменения полярности тока ЦАП:

( VDAС--VREF)/RY+ VDAС-/R4+

+ (VDAС--Vn)/(RG+R3)-IDAС- = 0 (24)

Уравнение для выходного импеданса ЦАП остается прежним:

%

ЪАС-

УПАС-/1}

DAС-I 1DAС-■

(25)

С учетом подстановки и перегруппировки:

Ур = У0АС+(—з/(—2+—з))

и того, что Уп = аУр, уравнение (25) можно переписать в виде:

1

,ха

1--

(26)

(VDAС+ VREF)/RX+ VDAС+/R1 +

+ VDAС+/(R2+Rз) ^АС+ '

* Обратите внимание, что в ОУ с обратной связью по напряжению желательно, чтобы импеданс на Ур был равен импедансу на Уп во избежание смещения напряжения, вызванного входным током смещения. В ОУ с обратной связью по току входные токи смещения некоррелированны; поэтому допустимо не соблюдать баланс этих импедансов, но это может понадобиться для их минимизации.

АУвв Ур і 1 ^ОАС+ ^ р Г ІРАС+(—Г ► КХ| у 1 1 1 ^ 1*2 Ь!!*.

УрАС+ 1 Р, ° 4"

Рис. 13. Положительная часть анализируемой схемы

Рис. 14. Отрицательная часть анализируемой схемы

R1

■2DAC+Xa

R,

^DAC+(max)Xa

R,

R2+R3

-V

rDAC- (min)

V -V

REF rDAC- (min)

V

______DAC-(mm) ^ ^

V -V

REF DAC- (min)

--1

Rr

(27)

Применяя те же подстановки и общие ограничительные условия, которые использовались при анализе положительной части схемы для нахождения величин 2ШС_, У—Ер и RG, методики решения системы уравнений могут быть применены к (24) и (26) для решения относительно 1/—4 (27).

Обратите внимание, что уравнения решаются при условии, что ток ЦАП в отрицательной части схемы равен нулю:

■Тп

0 мА. Это дает минимальное значе-

ние напряжения ЦАП в отрицательной части УDAC- = УDAC-(mш) и устанавли-

вает напряжение ЦАП в положительной части схемы на его максимальную величину,

УDAC+ = ^АС+(тах). Тогда величину 1/—4 можно использовать для нахождения 1/—г:

^ ~ Л

DAC+

ха

1

R~y

1 —

А.

Ri^R}

R,

1 1

—I—

Ra Rr,

(28)

ях 1ШС+ и 1ШС- всегда положительны или равны нулю.

Приведенное к выходу смещение по постоянному току для положительной части схемы выглядит следующим образом:

1+-

Vregfx

Rg+Ry\\R4

R,R3

Rl(R2+R3)+RX (К1+К2+Кз)

Приведенный к выходу сигнал ЦАП для положительной части схемы представляет собой:

1 + -

Rr

i?G+i?y|| R4

Обратите внимание и на то, что а, коэффициент умножения между Ур и Уп, по существу выражает разницу между входными выводами. В усилителе с обратной связью по напряжению а определяется коэффициентом обратной связи усилителя. В усилителе с обратной связью по току а представляет собой коэффициент усиления входного буфера между входами. Помимо всего прочего, величина коэффициента а обычно настолько близка к 1, что при расчетах ею легко можно пренебречь.

Вычисление выходного напряжения

Чтобы написать уравнения для отдельных условий относительно Уоит, можно использовать принцип суперпозиции. Эти уравнения аналогичны приведенным в [1]. Разница заключается в том, что теперь ЦАП только отдает ток, который, по условию, положителен. Это приводит к тому, что направления колебаний выходного напряжения ОУ и ЦАП совпадают. Другими словами, когда ЦАП подает ток на положительную часть схемы, выходной сигнал ОУ нарастает, а когда ЦАП подает ток на отрицательную часть схемы, выходной сигнал ОУ спадает. Это означает, что в следующих уравнени-

ЗД+0№)(Я2+Яз)

Приведенное к выходу смещение по постоянному току для отрицательной части схемы выглядит следующим образом:

R„

Ry+R4 Re+Ry\\ R4

Сигнал ЦАП, отнесенный к выходу, с отрицательной части схемы представляет собой:

^OUTJbptc

RyRaRf

RyR4+RgR4+RyRg

Складывая эти четыре уравнения, получим выражение для VOUf.

VOUT = VOUT_Vp

P(DC)

лУ,

OUT_V,

p(DAC)

_Vn(DC)

(29)

Если предположить, что 1ШС = 1£)АС+_1Г)АС-,

г = ZDAC+ = ZDAC-, а —Р^ = R3/R2, то постоянную составляющую выходных сигналов ЦАП можно исключить. Тогда уравнение коэффициента передачи сигнала по переменному току от выходного тока ЦАП к выходному напряжению ОУ может быть упрощено и записано в виде:

Уо>т/1ВАС = 2Z(Rр/RG)- (30)

Пример расчета и моделирование

Чтобы показать, как приступить к анализу схемы, предположим, что используется PMOS ЦАП, упомянутый ранее, с напряжением согласования в диапазоне от -1 до +1,25 В. Также допустим, что будет использоваться полный диапазон рабочих напряжений для максимизации выходного напряжения ЦАП. Это, в свою очередь, будет минимизировать коэффициент передачи, требуемый от ОУ, и для этого необходимо, чтобы напряжение VREF было отрицательным. Верхний предел выходного сигнала ЦАП устанавливается равным 20 мА. Чтобы получить несимметричный связанный по постоянному току выходной сигнал 5-VPP, можно использовать схему, показанную на рис. 12. Поскольку для ОУ используется источник питания ±5 В, удобно сделать VREF=-5 В. С учетом того, что IDAC± = 20 мА и VDAC± = 2,25 VPP, можно вычислить, что искомый импеданс, ZDAC±, равен 112,5 Ом.

С учетом начальных условий проекта, приведенных ранее, в качестве усилителя выбирается ОУ THS3095 компании Texas Instruments с обратной связью по току, где R3 = Rf = 750 Ом. Усиление от VDAC± к выходу задается отношениями резисторов Rf/Rg = R3/R2, поэтому RG может быть вычислено как:

RG = R2 = RF( VDAC± VOuT> =

= 750(2x2,25/5) = 675 Ом.

Следует использовать ближайшее стандартное 1%-ное значение, 681 Ом.

С помощью уравнений (22), (23), (27) и (28) можно найти, соответственно, Rp RX, R4 и Ry (формулы под рис. 15).

Следует использовать ближайшие стандартные 1%-ные значения: R1 = 154 Ом, RX = 562 Ом, R4 = 205 Ом и RY = 549 Ом.

Эти уравнения легко решаются при подстановке в электронную таблицу. Чтобы посмотреть пример рабочей таблицы Excel, зайдите на сайт фирмы Texas Instruments по адресу [4] и нажмите Open для просмотра папки WinZip в режиме онлайн (или нажмите Save для загрузки файла WinZip для использования в режиме оффлайн). Затем откройте файл DAC_Source_to_Op_Amp_ Wksht.xls и выберите рабочую таблицу DAC Source to Op Amp, No Filter.

SPICE-моделирование — хороший способ проверки проекта. Чтобы произвести моделирование схемы из этого проекта в программе TINA-TI, зайдите на [4] и нажмите Open для просмотра папки WinZip в режиме онлайн (или нажмите Save для загрузки файла WinZip для использования в режиме оффлайн). Если у вас установлено программное обеспечение TINA-TI, вы можете открыть файл DAC_Source_to_Op_Amp_No_Filter. TSC и посмотреть пример. Чтобы загрузить и установить бесплатное программное обеспечение TINA-TI, посетите сайт [5] и нажмите кнопку загрузки Download.

1

= 155,95 Ом;

1+-

R2+R3

112,5

1+

^-1

-1

681+750

^ = —

1

1

1

1

1

= 562,5 Ом;

ZDac+ Ri R2+R3 H2,5 155,95 681+750

R*=

v -V

REF DAC— (min)

Lxa

1--

R2+R3

Rr-

^DAC+(max)* 01

/ an

r2+r3

-V

rDAC-{mm)

V -V

REF DAC-(jma)

ґ\л

-1

-5+1

+ 1

, 750 112,5xlx------------

x 681+750

___________681

112,5

R,

= 206,84 Ом;

+

l,25xlx

750

681+750

- + 1

-5+1

\

f 1

-1

У [б81

Схема моделирования и формы сигналов на рис. 15 показывают, что проект ведет себя так, как ожидалось. IDAC+ и IDAC- — это токи ЦАП, VDAC+ и VDAC_ — это напряжения, возникающие на выходах ЦАП, а VOUt — это выходной сигнал усилителя. ЦАП, отдающий ток, и ОУ являются идеальными элементами, сконструированными с помощью макроса SPICE, и предназначены для демонстрации того, что уравнения для Rp Rx, R4 и RY, приведенные ранее, справедливы для идеальных элементов. Реальное функционирование будет различаться в зависимости от выбранных устройств.

Ry =

R2+Ri

Rr.

112,5xlx-

750

1 —

681+750

/± + J_'

R4 Ra

v 4

681

112,5

1 1

-+-

v206,84 68 ly

= 550,58 Ом.

АЦП/ЦАП

Фильтр выходного сигнала ЦАП

В [1] мы обсуждали необходимость фильтрации для уменьшения амплитуды помех дискретизации ЦАП и рекомендовали фильтрацию сразу на выходе ЦАП перед ОУ для достижения лучших рабочих характеристик. Здесь ситуация аналогичная. Как упоминалось в [1], обычно гораздо проще найти стандартные величины компонентов для реализации фильтра, когда входной и выходной импедансы фильтра сбалансированы.

На рис. 16 показана предлагаемая реализация схемы, где й1, RX, R4 и RY были заменены компонентами с одним и двумя штрихами в каждой части фильтра так, что:

R1 = R1' II R1", Rx = RX II RX',

R4 = R4' II R"' и RY = R; II R".

В то же время импеданс на каждом конце фильтра составляет 2xZшC±. С помощью алгебраических преобразований могут быть получены следующие уравнения:

К

1

2Z,

•DAC+

1 + -

^DAC+(min)

— 1

(31)

к

2 Zn

1+-

Vref

^DAC+(min)

r2+r3

(32)

1R = 1/2Zdac+-1/R1',

1/R" = 1/2ZDAc+-1/Ri"-1/(R2+R3)> (34)

,xa

R2+R3

R,

2 Z,

‘DAC-

Рис. 16. Добавление фильтра выходного сигнала ЦАП

ZDAC+Xa

' *3 '

R~-\-R*

1 ^ и Rg

1 2ZDac-

к V DAC-(тот) <

(35)

V -V

REF r DAC-{min)

DAC+Xa

Л2+^з

К

2 Z,

шс-

~т- (37)

1 —

*2+^3

(33) _L=.

R,

Rv

2Zn

'j_+J_" r:+rg

(38)

^£МС+(шах)Ха

A.

r2+r3

-V

rDAC-(min)

V -V

REF Z)y4C—(min)

"1Л

V °y

<

F'

'дЛС-(тш) гЖГ (min)

(36)

-+1

Эти уравнения легко решаются при подстановке в электронную таблицу. Чтобы посмотреть пример рабочей таблицы Excel, зайдите на сайт компании Texas Instruments [4] и нажмите Open для просмотра папки WinZip в режиме онлайн (или нажмите Save для загрузки файла WinZip для использования в режиме оффлайн). Затем откройте файл DAC_Source_ to_Op_Amp_Wksht.xls и выберите рабочую таблицу DAC Source to Op Amp, Filtered.

Порядок действий аналогичен представленному в разделе SPICE-моделированию в [1]. Чтобы увидеть влияние балансировки и согласования импеданса фильтра в отличие от случая использования фильтра с несогласованным импедансом, пожалуйста, посмотрите этот пример моделирования.

Заключение

В этой части статьи был приведен пример реализации схемы с использованием одного каскада на ОУ для преобразования комплементарных токовых выходных сигналов ЦАП, отдающего ток, в несимметричное напряжение. Были получены уравнения и представлена методология для правильного выбора величин компонентов для согласования выходного напряжения ЦАП при поддержании баланса входных сигналов ОУ для достижения наилучших рабочих характеристик схемы в целом. Сюда также было включено обсуждение фильтра, используемого в проекте, и сделан вывод, что наилучшее положение фильтра — перед усилителем. ■

Литература

1. Карки Дж. Сопряжение операционных усилителей со скоростными ЦАП. Ч. 1. ЦАП с токовым выходом // Компоненты и технологии. 2010. № 12.

2. Karki J. Interfacing Op Amps to High-Speed DACs. Part 1: Current-Sinking DACs // Analog Applications Journal. 3Q 2009. Slyt 342.

3. www.ti.com/sc/device/partnumber

4. Примеры вспомогательных файлов TINA-TI и электронных таблиц — www.ti.com/lit/zip/ slyt360.

5. www.ti.com/tina-ti