Projektowanie systemów napięcia
odniesienia dla ADC o sukcesywnej
aproksymacji

Autor: Alan Welsh

Tłumaczenie: Nikodem Czechowski

Efektywna precyzja wysoko rozdzielczych
przetworników Analogowo - Cyfrowych (ADC)
o sukcesywnej aproksymacji (SAR) zależy od
jakości

napięcia

odniesienia

-

jego

dokładności, stabilności czasowej a także
wydajności

prądowej

źródła

napięcia

odniesienia.

Przełączany

kondensator,

znajdujący się na wejściu napięcia odniesienia
przetwornika ADC SAR jest obciążeniem
dynamicznym,

co

oznacza

że

układ

stabilizujący napięcie odniesienia musi być
zdolny do obsłużenia takiego obciążenia pod
względem stabilności czasowej i prądowej.
Niektóre układy ADC integrują w swojej
strukturze źródło napięcia odniesienia oraz
bufor dla tego napięcia, jednakże w wielu
aplikacjach jest to rozwiązanie dalekie od
optymalnego, a dużo lepsze efekty można
osiągnąć stosując zewnętrzne stabilizatory
napięcia odniesienia wraz z stosownymi
buforami. W poniższym artykule opisano jakie
wyzwania

czekają

na

projektantów

pragnących stworzyć taki układ w swoim
systemie.

Anatomia wejścia napięcia odniesienia

Uproszczony

schemat

przetwornika

analogowo-cyfrowych

pokazany

jest

na

poniższej ilustracji. Podczas próbkowania,
kondensatory tworzące układ przetwornika
cyfrowo-analogowego (DAC) podłączone są do
wejścia układu ADC i są ładowane ładunkiem,
który jest proporcjonalny do napięcia na
wejściu przetwornika. Gdy układ przechodzi w
stan konwersji pojemności te są odłączane od
wejść przetwornika, algorytm konwersji

sukcesywnie przełącza każdy do referencji lub
do masy. Zmiana rozkładu ładunku powoduje
w tym momencie zwiększenie poboru prądu z
układu

stabilizacji

napięcia

odniesienia.

Dynamika poboru prądu zależna jest od
szybkości przetwarzania układu ADC oraz od
częstotliwości

wewnętrznego

zegara,

kontrolującego przełączanie poszczególnych
pojemności odpowiadających kolejnym bitom.
Kondensator

odpowiadający

najbardziej

znaczącemu

bitowi

(MSB)

gromadzi

największy

ładunek

i

w

konsekwencji

powoduje największy pobór prądu.

Wykres, pokazany poniżej, obrazuje
dynamiczny pobór prądu na wejściu
układu AD7980. Jest to przetwornik ADC o
sukcesywnej aproksymacji, firmy Analog
Devices. Układ ten jest częścią rodziny
PulSAR®, charakteryzuje się 16 bitową
rozdzielczością i prędkością przetwarzania
1

MSPS.

Prąd

mierzono

poprzez

wstawienie 500 Ω opornika w tor napięcia
odniesienia i monitorowanie spadku
napięcia na nim. Wykres pokazuje szpilki
poboru prądu sięgające aż do 2,5 mA oraz
mniejsze, które pojawiają się podczas
procesu konwersji.

Aby dostarczyć taki prąd w sposób wolny
od szumu kondensator o dużej pojemności
charakteryzujący

się

niskim

ESR

(efektywna

rezystancja

szeregowa).

Typowo stosuje się tutaj wartości
pojemności 10 µF lub więcej, umieszczone
możliwie

blisko

wejścia

napięcia

odniesienia do układu ADC. Większy
kondensator wygładzi to napięcie lepiej,
jednakże im większa pojemność tym
większą rolę gra stabilność układu. Co
więcej konieczne jest zaprojektowanie
układu stabilizacji napięcia odniesienia w
taki sposób aby był on w stanie naładować
ten kondensator dostatecznie szybko i bez
powodowania

znacznych

spadków

napięcia na linii odniesienia. W kartach
katalogowych przetworników ADC podaje
się jedynie średni prąd pobierany przez
układ z napięcia odniesienia przy zadanej
szybkości przetwarzania. Na przykład dla
opisywanego układu AD7980 w karcie
katalogowej prąd ten, przy przetwarzaniu
z prędkością 1 miliona próbek na sekundę
i napięciem odniesienia 5 V wynosi 330
µA. Pomiędzy konwersjami nie jest
pobierany prąd, zatem skaluje się on z
prędkością przetwarzania, spadając do na
przykład 33 µA przy 100 kSPS. Stabilizator
napięcia odniesienia, lub jego bufor, musi
posiadać możliwie niską impedancję
wyjściową przy częstotliwości zadanej
prędkością próbkowania, tak aby napięcie
odniesienia mogło być dostarczane do
układu przetwornika ADC bez spadków
wywołanych

dynamicznym

poborem

prądu przez ten układ.

Driver napięcia odniesienia

Poniższy schemat pokazuje typowy układ

napięcia odniesienia. Stabilizator tego
napięcia może być wbudowany w bufor
lub też jako bufor może służyć zewnętrzny
wzmacniacz operacyjny. Aby uniknąć
błędów w konwersji analogowo-cyfrowej
średni prąd pobierany przez przetwornik
nie może spowodować spadku napięcia
odniesienia większego niż ½ LSB. Błąd
spowodowany zmianą tego napięcia w
funkcji

pobieranego

prądu

będzie

najbardziej odczuwalny podczas konwersji
serii próbek, gdyż obciążenie napięcia
odniesienia zmieniać się będzie od zera do
maksimum z częstotliwością próbkowania.

Posłużmy się przykładem 16 bitowego
układu AD7980, omawianego wcześniej w
celu dokonania pewnych obliczeń. Średni
prąd napięcia odniesienia pobierany przez
ten układ wynosi 330 µA przy napięciu
odniesienia 5 V. Zakładamy maksymalny
spadek napięcia jako połowę LSB, zatem
impedancja wyjściowa bufora napięcia
odniesienia Ro musi wynieść:

Większość

scalonych

stabilizatorów

napięcia

odniesienia

nie

podaje

impedancji wyjściowej, a jedynie odchyłkę
napięcia w funkcji poboru prądu jako
ppm/mA. Układ ADR435 firmy Analog
Devices może poszczycić się 15 ppm/mA,
aby przeliczyć to na impedancję wejściową
korzystamy z prostego wzoru:

Zatem układ ten spełnia wymagania.
Według karty katalogowej jest w stanie
dostarczyć do 10 mA, co spełnia w 100%
wymagania układu przetwornika. Co
więcej możliwe jest także wpływanie
prądu 10 mA do układu napięcia
odniesienia, co może mieć miejsce gdy na
wejściu przetwornika ADC pojawi się
napięcie większe niż 5 V. Dzieje się tak w
skutek zadziałania diod zabezpieczających
na

wejściu

układu

przetwornika

analogowo-cyfrowego

AD7890.

Zabezpieczenie to jest pokazane na
poniższym rysunku

Jako że średni prąd wejściowy pobierany z
napięcia

odniesienia

przez

układ

przetwornika

analogowo-cyfrowego

skaluje

się

liniowo

z

jego

przepustowością(=częstotliwością
próbkowania) układ odniesienia o większej
impedancji wyjściowej, czyli mniejszej
mocy, może być w pełni akceptowalny w
naszej aplikacji, o ile odpowiednio
zmniejszymy częstotliwość próbkowania
układu ADC, albo zastosujemy inny,
wolniejszy przetwornik. Przykładem może
być tutaj rodzina układów AD9=7988 -
układy te charakteryzują się różnym
średnim prądem, odpowiednio mniejszym
niż ten pobierany przez szybszy AD7890.
Pracujący z prędkością 500 kSPS AD7988-5
lub AD7988-1 pracujący do 100 kSPS
pobierają nie więcej niż 250 µA podczas
pracy. Pamiętać oczywiście należy że
podawane

tutaj

równania

nie

odzwierciedlają w pełni rzeczywistości i
należy z nich korzystać tylko jako

wyznaczników do doboru elementów,
które finalnie i tak muszą zostać
przetestowane w świecie rzeczywistym.

Buforowanie napięcia odniesienia

Dodatkowy bufor napięcia odniesienia
może być zastosowany, jeśli wydajność
prądowa

użytego

źródła

napięcia

odniesienia jest niewystarczająca. Do
wykonania takiego bufora wystarczy
zaimplementować wzmacniacz operacyjny
w konfiguracji tzw. unity-gain czyli z
wzmocnieniem równym jeden. Preferuje
się

tutaj

zastosowanie

układów

charakteryzujących się niskim szumem
które nie dość że spełniają wymagania co
do prądu wyjściowego to są w stanie
pracować

z

obciążeniem

pojemnościowym. Dodatkowo warto także
zwrócić uwagę iż nie każdy wzmacniacz
operacyjny

może

pracować

przy

wzmocnieniu równym jeden, te które
mogą są oznaczone jako 'unity gain stable'
(przyp. tłum.). W kartach katalogowych
rzadko kiedy specyfikuje się jako-taką
impedancję wyjściową, jednakże da się ją
często odczytać z wykresu impedancji w
funkcji częstotliwości pracy. Taki wykres,
dla układu AD8031 o pasmie 80 MHz
pokazano poniżej.

Jak łatwo odczytać z wykresu impedancja
wyjściowa jest mniejsza od 0.1 Ω przy 100
kHz i mniejsza niż 0.05 Ω przy napięciu

stałym. Jest to zatem dobry wybór do
buforowania napięcia odniesienia układu
AD7980 pracującego przy 1 MSPS.
Zachowanie niskiej impedancji przez
możliwie szeroki zakres częstotliwości jest
istotne dla konstrukcji dobrego drivera
układu napięcia odniesienia. Kondensator
filtrujący na tej linii nie jest w stanie nigdy
wygładzić wszystkich wynikających z
poboru prądu zakłóceń, nawet jeśli będzie
miał znaczną pojemność. Częstotliwość
zakłóceń prądowych w tej linii będzie
funkcją częstotliwości próbkowania i
pasma układu bufora napięcia odniesienia.
Duży kondensator filtrujący poradzi sobie z
wysokimi częstotliwościami wynikającymi
z pracy układu ADC przy częstotliwości 1
MHz

(taka

jest

częstotliwość

próbkowania),

natomiast

niskie

częstotliwości muszą być odfiltrowane
przez driver. Punktem spotkania obu
charakterystyk jest miejsce na spektrum w
którym impedancja kondensatora jest już
na tyle mała że przejmuje on rolę
dostarczania

prądu

przy

konkretnej

częstotliwości. Poniżej tej częstotliwości
prąd pobierany jest przede wszystkim z
wzmacniacza operacyjnego, dlatego tak
istotna jest jego impedancja dla niższych
częstotliwości.

Układ AD8031 jest dobrym rozwiązaniem
bufora napięcia odniesienia gdyż pracuje
stabilnie z obciążeniami pojemnościowymi
większymi niż 10 µF. Inne wzmacniacze
operacyjne, takie jak ADA4841, także
dobrze współpracują z obciążeniem
pojemnościowym, jednakże nie są stabilne
przy prądzie stałym (DC). Jednakowoż,
mimo tego, i tak wskazanym jest
testowanie układu przed ich aplikacją w
układzie. Niewskazane z kolei jest
dodawanie szeregowej rezystancji przed
obciążeniem

pojemnościowym,

gdyż

takowa znacznie zwiększa impedancję
wyjściową

(co

widać

na

wykresie

powyżej).

Dodatkową zaletą stosowania bufora
napięcia odniesienia jest buforowanie
napięcia dla systemów równoległych
przetworników analogowo-cyfrowych o
symultanicznym próbkowaniu. System
taki, pokazany na poniższym schemacie,
charakteryzuje się zwiększonym poborem
prądu z napięcia odniesienia.

Każdy z układów ADC ma swój własny
kondensator filtrujący, umieszczony blisko
doprowadzeń napięcia odniesienia do
układu. Ścieżki napięcia odniesienia są
potem podłączone w topologii gwiazdy, do
wyjścia bufora referencji. Takie połączenie
minimalizuje

przesłuch

pomiędzy

kanałami. Bufory charakteryzujące się
niską impedancją i dużym prądem
wyjściowym są w stanie wysterować
znaczną ilość przetworników ADC naraz.
Warto pamiętać iż w takim przypadku
wzrasta pojemność obciążenia i układ
musi być stabilny z taką pojemnością na
obciążeniu.

Szum i dryft termiczny

Gdy już upewnimy się iż zaprojektowany
przez

nas

układ

drivera

napięcia

odniesienia spełnia wymagania które
stawia mu przetwornik ADC upewnić się
musimy że szum pochodzący z układu
napięcia referencyjnego nie będzie miał
większego wpływu na pracę konwertera

analogowo-cyfrowego.

Aby

zachować

specyfikowane dla układu parametry,
takie jak SNR, musimy zagwarantować aby
szum napięcia odniesienia nie wprowadzał
zakłóceń do ADC, typowo przyjmuje się
aby jego wartość była ułamkiem szumu
samego

przetwornika

(zwyczajowo

zakłada się 20% i mniej jako wartość
idealną).

AD7980

w

swojej

karcie

katalogowej, przy pracy z napięciem
odniesienia 5 V charakteryzuje się 91
decybelowym odstępem sygnału od
szumu. Po konwersji do rms otrzymujemy:

Zatem układ napięcia odniesienia musi
mieć mniej niż 10 µV rms szumu, aby mieć
minimalny wpływ na SNR całego systemu.
Specyfikacje szumowa układów stabilizacji
napięcia

odniesienia

i

wzmacniaczy

operacyjnych składają się z dwóch części -
szumu niskiej częstotliwości (1/f) i szumu
szerokopasmowego. Złożenie tych dwóch
szumów pozwala na ocenę całkowitego
wpływu układu na SNR projektowanego
systemu. Na poniższym wykresie pokazano
krzywą szumu w funkcji częstotliwości dla
układu ADR431, stabilizatora napięcia
odniesienia 2,5 V.

Układ

ADR435

kompensuje

swój

wewnętrzny wzmacniacz operacyjny w
celu poprawnej pracy z obciążeniem dużą
pojemnością i wygładzenia charakterystyki
szumowej - czyni go to niezwykle

atrakcyjnym do pracy z układami ADC.
Kompensacja ta jest opisana szerzej w
karcie katalogowej układu. Z pojemnością
10 mikro faradów jako obciążeniem
specyfikuje się mu szum 1/f na poziomie 8
µV p-p, a gęstość widmowa szumu
szerokopasmowego 115 nV/√Hz. Pasmo
szumu wynosi 3 kHz. Aby skonwertować
wartość szumu 1/f na rms podzielić należy
wartość peak-to-peak na rms podzielić
należy go przez 6,6, aby otrzymać:

Następnie,

obliczamy

wpływ

szumu

szerokopasmowego na całkowity szum
przy takim obciążeniu. Efektywne pasmo
obliczmy jako:

Korzystając z tego pasma obliczamy zatem
rms szumu szerokopasmowego:

A całkowity szum obliczamy jako średnią
kwadratową obu szumów rms:

Zatem szum wyniesie mniej niż 10 µV rms,
zatem nie będzie miał on wpływu na SNR
systemu. Takie równania mogą zostać
wykorzystane do oceny wpływu szumu na
pracę układów ADC w ogólności. Jednakże
należy pamiętać iż są to tylko obliczenia i
gotowy

układ

należy

zweryfikować

fizycznymi

pomiarami

na

gotowym

prototypie.

Taka

sama

analiza

może

zostać

wykorzystana do oceny wpływu buforu na
szum napięcia odniesienia. Na przykład
AD8031 charakteryzuje się gęstością
widmową szumu o wysokości 15 nV/√Hz. Z
10 µF obciążeniem pasmo efektywne
wynosi około 16 kHz. Jeśli pominiemy w
obliczeniach wpływ szumu 1/f całkowity
szum wyniesie 2.4 µV rms. Wartość tą

można dodać tak jak powyżej do wartości
szumu z napięcia odniesienia aby otrzymać
realną wartość. Generalnie bufor powinien
mieć znacznie mniejszy szum niż samo
źródło napięcia odniesienia.

Dodatkowo, przy wykorzystaniu bufora,
możliwe jest ograniczenie pasma sygnału
poprzez dodanie filtra RC. Schemat taki
pokazany jest na poniższym rysunku.
Pozwala to na ograniczenie pasma, a w
konsekwencji zmniejszenie wpływu szumu
szerokopasmowego na całkowity poziom
szumu w układzie.

Innym

istotnym

zagadnieniem

przy

doborze napięcia odniesienia jest jego
dokładność i dryft termiczny. Dokładność
podawana jest w procentach lub mV i w
systemach

gdzie

dokonywana

jest

wstępna kalibracja nie jest ona tak istotna
jak dryft. Dryft specyfikowany jest w
ppm/°C lub µV/°C. Większość dobrych
napięć

odniesienia

musi

się

charakteryzować dryftem poniżej 10
ppm/°C. Pamiętać należy że zmiana
wartości napięcia referencyjnego w funkcji
temperatury będzie miała wpływ na
całkowity

błąd

pomiarowy

projektowanego systemu.

Rozwiązywanie problemów z napięciem
odniesienia

Źle zaprojektowany układ stabilizacji i
buforowania napięcia odniesienia dla
układu

przetwornika

ADC

może

wprowadzić

poważne

błędy

do

konwertowanej wartości. Najczęstszymi

przykładami

takich

problemów

są

powtarzające się wartości konwersji. Taka
sytuacja zdarza się gdy szum napięcia
odniesienia powoduje że przetwornik
popełnia błąd podczas estymacji jednego z
bitów, co widoczne jest jako konkretna
wartość cyfrowa powtarzająca się kilka
razy, nawet pomimo zmiany napięcia
wejściowego np. ciągle pojawiające się
zero jako LSB. Taką sytuację pokazano na
poniższym wykresie. Czerwone okręgi
zaznaczają

miejsca

gdzie

utknęły

konkretne kody, przez co na wyjściu
widzimy

powtarzające

się

wartości.

Problem ten, generalnie, staje się bardziej
zauważalny przy napięciach wejściowych
bliskich pełnej skali przetwornika, gdyż w
takiej sytuacji szum może mieć większy
wpływ na bardziej znaczące bity.

Najczęstszym

powodem

powstawania

takich przebiegów z utkniętymi bitami jest
niepoprawna wielkość i umieszczenie
względem układu ADC kondensatora
filtrującego napięcie referencyjne dla
konwertera. Powodować to też mogą
bufory

napięcia

odniesienia

o

niewystarczającej mocy lub generujące
zbyt duży poziom szumu. Wynika to
najczęściej z nieodpowiedniego doboru
układu buforującego.

Niezwykle istotnym jest umieszczenie
kondensatorów

filtrujących

napięcie

odniesienia blisko pinów wejściowych ADC
używając możliwie szerokich ścieżek.
Proponowany rozkład pokazany jest na
poniższej

ilustracji.

Kondensator

zastosowany w tym miejscu musi
charakteryzować się niską impedancją do
masy, wskazane zatem jest zastosowanie
większej ilości przelotek łączących jego

wyprowadzenie z wylewką masy. Dobrym
wyborem są kondensatory z dielektrykiem
X5R o pojemności od 10 do 47
mikrofaradów.

Mniejsze

także

są

akceptowalne,

jednakże

zależy

to

dokładnie od poboru prądu przez wejście
ADC.