. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Operační zesilovače: tři časté chyby návrhu zpracování smíšených signálů

Operační zesilovače: tři časté chyby návrhu zpracování smíšených signálů

Operační zesilovače hrají při optimalizaci výkonu návrhu systémů se smíšenými signály (mixed-signal) mnoho různých rolí. Současní návrháři systémů mixed-signal musí pochopit požadavky jak analogového, tak i digitálního signálového toku.

Vzhledem k rozdílným funkcím operačních zesilovačů může být výběr správného obvodu pro každý jednotlivý prvek v návrhu mixed-signal velmi složitý. Často se na nutnost použití operačního zesilovače přijde až po rozvržení komponentů na desce nebo dokonce u prvního prototypu, což vede k drahému a časově náročnému opakování návrhu. Této nákladné variantě se můžete vyhnout, pokud budete jen trochu plánovat. Tento článek ukazuje tři nejběžnější předpoklady návrhů operačních zesilovačů, které zabrání nechtěným opomenutím.

Při pohledu na klasický řetězec analogového signálu, který se skládá ze zesilovače, upravujícího vstupní signál a pokračuje přes digitální převodník do procesoru, jsou zřejmé některé z dobře známých funkcí operačního zesilovače : předřazená úprava signálu a analogová úprava výstupního signálu. Ale existuje mnoho jiných situací, v nichž zesilovač může hrát klíčovou roli při zpřesňování a zvyšování výkonu mixed-signal obvodů a samozřejmě i mnoho situací, kdy může dojít k nějakému opomenutí u operačního zesilovače.

Pravidlo č. 1: Seznamte se se svým vstupním čidlem dříve, než si vyberete operační či přístrojový zesilovač a seznamte se s výstupními požadavky na zesilovač.

Jedním z největších problémů při výběru zeslilovače může být zjištění, že se pro danou úlohu vybral špatný vstupní zesilovač nebo když se po pečlivém výběru příslušného zesilovače pro čidlo zjistí, že je nutný další zesilovač pro zachování přesnosti systému.

Na co se tedy při výběru zesilovače pro úpravu signálu čidla nesmí zapomenout? Výběr vhodného zesilovače ovlivňují zejména impedance čidla, rozpětí výstupního napětí čidla, standardní úrovně signálu a typ nutného impulzu. Pokud se používá číslo s velmi vysokou impedancí, jako např. čidlo pH, pak se musí vybrat zesilovač s extrémně nízkým vstupním klidovým proudem proto, aby se minimalizovaly chyby stejnosměrného proudu při velkým změnách impedance. Pokud je rozpětí výstupního napětí několik milivoltů, jako u mnoha můstkových čidel, použije se malý vyrovnávací operační nebo přístrojový zesilovač umožňující jen malé odchylky, který pomůže zamezit ztrátě vstupního signálu mezi relativně většími vstupními chybami zesilovače.

Jakmile vyberete zesilovač pro úpravu signálu, zamyslete se nad požadavky na výstup z tohoto zesilovače. Pokud počítáte s vytvářením digitálního signálu, jaký bude vhodný kapacitní odpor a vzorkovací kmitočet převodníku? Pokud zesilovač pro úpravu signálu nemá dostatečnou šířku pásma pro dosažení požadované přesnosti během času vzorkování převodníku, možná bude nutný další zesilovač pro rozšíření pásma. Mnoho návrhářů desek a systémů dojde k tomuto nešťastnému zjištění až v pozdních fázích vývoje. Proto se potřeba zesilovače pro úpravu výstupního signálu stává problémem návrhu operačního zesilovače.

Pravidlo č. 2: Při optimalizaci přesnosti přístrojového nebo diferenčního zesilovače pro přesnost, věnujte zvýšenou pozornost referenčnímu napětí

Každý návrh se nesnaží dosáhnout nejvyšší přesnosti systému, ale obvykle je vhodné vědět, jaká je minimální úroveň přesnosti, kterou váš návrh může tolerovat. Pokud navrhujete systém s přístrojovým nebo diferenčním zesilovačem, pravděpodobně jste si toto zařízení zvolili kvůli kombinaci přesnosti výstupu, vysokého CMRR (Common Mode Rejection Ratio; činitel potlačení souhlasného napětí), malým odchylkám a nízkému šumu. Tyto faktory jsou samozřejmě důležité pro celkovou přesnost systému, ale nezapomeňte zohlednit, že referenční vývody ovlivňují výstupní napětí, protože jinak bude vaše namáhavá práce zbytečná.

Diferenční zesilovače jsou srdcem mnoha topologií přístrojových zesilovačů, takže pro jednoduchost se podíváme na vliv referenčního vývodu na diferenční zesilovač. Výstupní napětí pro jednotkový zisk diferenčního zesilovače je:

Pro systémy s jednoduchým napájením je referenční vývod přístrojového zesilovače optimálně nastavený na střed mezi vstupními hodnotami, aby se dosáhlo maximálního symetrického výstupního rozkmitu. Výše uvedená rovnice ukazuje, že chyby na VREF se přenesou na výstup. Je důležité zajistit, že do referenčního vývodu vstupuje přesné napětí.

Při tvorbě referenčního napětí pro diferenční zesilovač, mnoho návrhářů používá dostupné napájení, s nímž mohou dosáhnout požadované referenční napětí jen s levným odporovým děličem. Důvodem je například snížení nákladů či jednoduchost systému. I když se to může zdát jako efektivní využití dostupných zdrojů a jako dostatečně jednoduché řešení, související problém operačního zesilovače na sebe nenechá čekat. Referenční vývod diferenčního zesilovače požaduje zdroj s nízkou impedancí, aby předcházel chybám děliče s interními diferenčními odpory. Při použití děliče, který do referenčního vývodu přesouvá relativně vysokou impedanci, se chyba objeví na výstupu z diferenčního zesilovače. Obrázek 1 ukazuje základní topologii diferenčního zesilovače při R=10 k ohmů a nastaveném shodném odporu (RREF), který představuje impedanci vytvořenou děličem napětí. Při přidání další impedance na referenční vývod vypadá rovnice výstupního napětí následovně:


Obr. 1a: Základní diferenční zesilovač s předřadným odporem na referenčním vývodu (formovaném RREF) vytváří chybu děliče napětí


Obr. 1b: Chybovost na výstupu kvůli rostoucím předřadnému odporu na referenčním vývodu pro stálé hodnoty V
IN+ a VIN–

Vycházíme-li ze základní rovnice výstupního napětí, je zřejmé, že role RREF může být významná. Obr. 1b popisuje celkovou chybovost jako procento ideálního výstupního napětí pro odpor od 1 ohmu do 10 k ohmů. V závislosti na ekvivalentní impedanci na referenčním vývodu může nastat chybovost až 50 procent stávajícího výstupního napětí.

Této situaci se lze vyhnout použitím bufferu - oddělovacího zesilovače (viz obr. 2), který zachová na referenčním vývodu známou a stabilní hodnotu. Nízká uzavřená smyčka výstupní impedance oddělovacího zesilovače bude spravovat celkovou přesnost diferenčního zesilovače a přitom stále může používat dostupné referenční napětí z jiných oblastí vašeho návrhu.


Obr. 2: Základní diferenční zesilovač s odděleným referenčním vývodem

Pravidlo č. 3: Pochopte roli referenčního napětí na převodníku pro přesnost digitální konverze

Situaci popsanou jako pravidlo č. 1 můžeme vyřešit zesilovačem s dostatečnou šířkou pásma, abychom zajistili vhodné napájení převodníku dat. To samé platí i pro pravidlo č. 3. Musí se zohlednit efekt vstupního spínání a vzorkování s ohledem na referenční napětí používané převodníkem dat. Pro převodníky dat s integrovaným referenčním napájením to nemusí platit. Ale pokud používáte externí napěťovou referenci, abyste přesně nastavili svůj převodník dat, můžete předejít chybám operačního zesilovač přidáním oddělovacího zesilovače. Interní přepínací frekvence kapacitativní architektury, běžná pro převodníky s postupnou aproximací (SAR), požaduje konstantní napájení, aby se zachovala přesnost převodníku dat. Pokud si vybereme zesilovač s dostatečnou šířkou pásma a odstupem signálu a šumu, který bude řídit vazby přesného konečného napětí během akvizičního času převodníku dat, můžete se pochválit, protože se nestanete obětí chyby operačního zesilovače.

Autor: Gina Hann

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Pro více informací o operačních zesilovačích navštivte www.ti.com/amplifier.







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 01. 06. 2010 v 18:56 zaslal host
problémy
Těch problémů je často mnohem víc, ale tohle je takový pěkný základ.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PSDR - SDR přijímač, modul
Modul digitálního (SDR) přijímače pro krátkovlnná pásma s výměnným krystalem. Dodáván s krystalem pro pásmo 80m (3,5 MHz)
Skladem od 529 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007