Výkonné A/D převodníky, vyráběné moderními technologiemi, ke své činnosti obvykle vyžadují jednoduché napájecí napětí o velikosti 1.8 V až 5 V, případně také souměrné napájení ±5 V. Protože se však budeme většinou pohybovat v reálném světě, kde měřené signály běžně dosahují rozkmitu ±10 V nebo ještě více, nezbývá, než „nebohému převodníkovi“ předřadit zesilovač, který omezí signálové amplitudy tak, aby na vstupech převodníku nedocházelo k saturacím nebo dokonce nechtěnému „ublížení na zdraví“.
Takové zesilovací struktury obvykle mívají jednoduché, single – ended výstupy. Pokud však chceme plně využít všech výhod, které nám rozdílové vstupy případného A/D převodníku nabídnou, tj. např.
- větší dynamický rozsah,
- lepší potlačení souhlasných signálů nebo
- větší odolnost vůči rušení,
měli bychom raději zvolit stupeň s odpovídajícím rozdílovým zakončením (výstupem). Na obr. 1 vidíme příklad možného řešení zesilovače s rozdílovým výstupem a ziskem, rovným ½.
Obr. 1: Schématické znázornění rozdílového zesilovače s rozdílovým výstupem a G = ½
Rozdílový zesilovač A1 byl nakonfigurován tak, aby poskytoval zesílení rovné ½. Výstup z tohoto stupně pak vyživuje neinvertující vstup zesilovače A2 a také invertující vstup zesilovače A3. Stupně, označené jako A2 a A3 přitom také pracují se zesílením rovným ½. Jejich výstupy, fázově posunuté o 180 stupňů, pak řeší otázky, spojené s rozdílovým výstupem. Diferenciální napětí na takovém výstupu, tj.
- VoutA2 – VoutA3
se pak rovná
- Vin/4 – (–Vin/4)
a my tak dostáváme celkové napětí rozdílového výstupu o velikosti
- Vin/2,
přesně jak bylo požadováno.
Ke kompenzaci výstupu (Offset) a rozšíření dynamického rozsahu připojeného A/D převodníku slouží zakončení, označené jako Voffset. Rozdílové zesílení, vládnoucí mezi vstupem pro Voffset a příslušným výstupem pak činí –1. Pokud se ale rozhodneme této možnosti nevyužít, připojme zmíněný uzel na zem.
Souhlasné napětí rozdílového výstupu zase nastavujeme prostřednictvím napětí Vcm. S velkou výhodou tak učiníme např. při buzení A/D převodníku, napájeného z jednoduchého zdroje. Souhlasný výstup struktury pak může odpovídat pomyslnému středu napájecího napětí. Zesílení, definované mezi Vcm a výstupem, činí +1. I zde však platí, že uzel musíme přizemnit, pakliže nevyužíváme souhlasného posunu v nastavení.
Na obr. 2 vidíme činnost struktury v praxi. Vstupní signál sinusového průběhu s amplitudou 20 Vp-p kmitá na 25 kHz. Kanál 1 reprezentuje poměry na neinvertujícím výstupu, kanál 2 na invertujícím výstupu a na kanál 3 pak už zbyl jen samotný vstup. Matematickým výpočtem (Math Channel) následně vyrábíme rozdíl mezi dvěma výstupy. Každý výstup představuje ¼ ze vstupního signálu, oba výstupy pracují proti sobě a jejich vzájemný rozdíl pak činí požadovanou ½ vstupního signálu.
Obr. 2: Na rozdílových výstupech dostáváme ½ vstupního signálu
Obr. 3 zachycuje kmitočtovou závislost zesílení našeho zapojení. Vidíme zde vyhovující stabilitu v pásmu 1 MHz se špičkou, nepřesahující 1 dB.
Obr. 3: Kmitočtová odezva rozdílového výstupu našeho diferenciálního zesilovače
Obr. 4 ukazuje systémovou odezvu na relativně velké vstupní signály obdélníkového průběhu. Je příjemné, že zde nevidíme žádné překmity ani jejich doprovodné ustalování. A co více, přenášíme – li každým zesilovacím stupněm jen polovinu vstupního signálu, dostáváme ve srovnání se samostatnými výstupy dvojnásobnou rychlost změn rozdílového zakončení.
Obr. 4: Odezva rozdílového systému na velké vstupní rozkmity
Dvojitý rozdílový zesilovač AD8279 je k dispozici ve 14vývodovém pouzdru SOIC. Jeho doplněk AD8278 se zase vyrábí v 8vývodovém zapouzdření typu MSOP. Své místo na společném čipu rovněž našly precizní, laserově trimované rezistory, díky kterým výrobce minimalizoval chyby, způsobené
- offsetem,
- odlišným zesílením,
- souhlasnými signály a také
- driftem v celém teplotním rozsahu.
Máme tak k dispozici poměrně dosti precizní polovodičové nástroje. I přes nízkou vlastní spotřebu obvodů AD8278 (200 μA) a AD8279 (200 μA na jeden zesilovací stupeň) můžeme v našem systému vykázat šířku pásma 1 MHz, umocněnou rychlostí přeběhu 2.4 V/μs. Struktury AD8278 a AD8279 zvládají velmi velké rozsahy napájecího napětí a to již od jednoduchého napájení 2.5 V až do souměrných ±18 V. Vstupním svorkám rovněž neublíží ani rozkmity, překračující napájecí hladiny. Díky tomu můžeme pracovat i s většími amplitudami (±20 V i více), doprovázenými rozměrnějšími souhlasnými potenciály včetně rušení a šumů. Lze se tak ještě více přiblížit k ideální struktuře typu front – end, určené precizním, nízkonapěťovým A/D převodníkům.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Analog Devices: http://www.analog.com/
- Distribuční síť
