В статье дан обзор моделей интегральных АЦП, производство которых начато ведущими фирмами мира в последние годы. Приведены классификация и сравнение характеристик ряда моделей [[современных АЦП]].
Интегральные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выпускаются уже свыше 30 лет. За это время разработаны и производятся сотни моделей АЦП, отличающихся точностью, быстродействием, потреблением энергии и ценой. При выборе конкретной микросхемы разработчик обращает внимание, прежде всего на совокупность ее показателей качества (параметров).
КЛАССИФИКАЦИЯ АЦП
Все многообразие АЦП можно разделить на группы, объединенные общими технологией, схемотехникой и методом преобразования, близкими точностными, динамическими или эксплуатационными параметрами, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.
Классификация по методам преобразования АЦП, выпускаемых в виде интегральных микросхем (ИМС), представлена на рисунке 1.
По быстродействию АЦП в настоящее время можно разделить на следующие группы в зависимости от максимальной частоты преобразования (выборки) fs.макс:
– АЦП постоянного тока с fs.макс < > 10 кГц;
– АЦП среднего быстродействия с fs.макс = 10…5000 кГц;
– скоростные АЦП с fs.макс = 5…200 МГц;
– сверхскоростные АЦП с fs.макс >> 200 МГц.
Точность современных моделей АЦП определяется преимущественно разрядностью. Можно определить следующие градации:
– АЦП низкой точности — 8 разрядов и менее;
– АЦП средней точности — 10—13 разрядов;
– АЦП высокой точности — 14 разрядов и более.
На рисунке 2 приведены области, занимаемые современными АЦП различного типа на плоскости разрядность — быстродействие.
АЦП постоянного тока
В настоящее время для преобразования медленно меняющихся сигналов датчиков мостового типа, термопар, температурных датчиков сопротивления, измерения напряжения постоянного тока используются АЦП на основе метода сигма-дельта модуляции. Некоторые фирмы продолжают выпускать АЦП многотактного интегрирования, но это уже довольно старые модели, применяющиеся преимущественно в дешевых цифровых мультиметрах.
Усовершенствование низкочастотных сигма-дельта АЦП идет в направлении снижения шума преобразования, повышения интеграции за счет включения в состав ИМС дополнительных блоков, таких как тактовый генератор, детектор уровня опорного напряжения и т.д. Примерами АЦП постоянного тока, появившихся на рынке за последний год, могут служить AD7798/9 фирмы Analog Devices, LTC2480 и LTC2442 Linear Technology, MSP3550/1 Microchip и ADS1232 Texas Instruments. Общим для этих моделей является встроенный тактовый генератор, сигма-дельта модулятор третьего порядка и цифровая фильтрация по алгоритму (sinc)4. Как и более ранние модели, эти АЦП позволяют интенсивно подавлять составляющие частот 50, 60 Гц и кратных им. Наименьшим шумом (и, соответственно, наибольшим ENOB) обладает ADS1232 (среднеквадратическое значение 17 нВ при частоте выборок 10 Гц и коэффициенте усиления встроенного усилителя КPGA = 128). Длительное время применявшийся в той же области AD7714 при тех же значениях частоты выборок и усиления имеет уровень шума 250 нВ, т.е. в 15 раз больше. К недостаткам ADS1232 можно отнести значительный входной ток (50 нА при КPGA 64 и 128 и 500 нА при КPGA = 1 и 2).
Фирма Microchip, специализирующаяся в основном на цифровой технике, начала выпускать в 8-выводном корпусе 22-разрядный MSP3550/1, имеющий ENOB = 21,9 бит. Это недорогой АЦП, обладающий одним дифференциальным входом, имеет прекрасные точностные показатели: погрешность полной шкалы 2·10–6, полная нелинейность составляет 6·10–6, а общая неустранимая самокалибровкой погрешность не превышает 0,001%. АЦП не имеет встроенного усилителя и потребляет всего 0,1 мА при напряжении питания 2,7 В.
Сигма-дельта АЦП LTC2442 имеет максимальную частоту выборок 8 кГц. Этот прибор, имеющий ENOB = 24 бит при частоте выборок 31,25 Гц, оснащен двумя входными операционными усилителями (ОУ), которые позволяют подключать внешние цепи обратной связи, так что пользователь может установить необходимый ему коэффициент усиления с помощью резисторов. Для работы с биполярными сигналами ОУ могут питаться от дополнительных источников питания вплоть до ±15 В.. Типичное значение нелинейности этого АЦП составляет 10–6.
АЦП среднего быстродействия
Эта категория АЦП предназначена для построения высокоточных низкоскоростных систем сбора данных, систем управления двигателями постоянного тока и т.д. На сегодняшний день на рынке эта группа представлена преимущественно сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения.
24-битный сигма-дельта ADS1258 Texas Instruments содержит модулятор 4-го порядка, встроенные источник опорного напряжения (ИОН), датчик температуры, монитор питания и входной аналоговый мультиплексор, конфигурируемый либо в 16 одиночных, либо в 8 дифференциальных каналов. Тактовый генератор снабжен схемой умножения, преобразующей частоту внешнего резонатора 32768 Гц в тактовую частоту 15,729 МГц. Цифровая часть включает (sinc)5-фильтр и программируемый усреднитель. Такое построение вместе с модулятором 4-го порядка позволяет получить ENOB = 21,6 бит при частоте выборок 1953 Гц. При дифференциальном включении входного мультиплексора может быть организована стабилизация нуля прерыванием. Это позволяет снизить смещение нуля АЦП примерно в 20 раз.
Фирма Analog Devices начала выпускать 16-битный сигма-дельта модулятор второго порядка AD7400, имеющий цифровой интерфейс с трансформаторной изоляцией. Применение этой ИМС позволяет обеспечить электрическую развязку контролируемой цепи от прибора при напряжении до 891 В.. Модулятор содержит встроенный тактовый генератор с частотой 10 МГц, ИОН и устройство выборки/хранения (УВХ). При включении модулятора совместно с внешним (sinc)3-фильтром образуется сигма-дельта АЦП, который
при 256-кратном прореживании (частота выборок при этом составляет 39 кГц) имеет SINAD = 79 дБ, а уровень нелинейных искажений при преобразовании синусоидального сигнала частотой 35 Гц составит –93 дБ.
Эта же фирма предлагает три почти идентичных 24-разрядных сигма-дельта АЦП с мультибитным модулятором AD7760, AD7762 и AD7763. Первые две модели оснащены 16-битным параллельным интерфейсом, последняя — последовательным. Передача данных при параллельном интерфейсе осуществляется за 2 такта. Эти модели имеют встроенный буферный дифференциальный усилитель. Цифровая часть включает трехкаскадный фильтр, причем последний каскад может программироваться пользователем как фильтр нижних частот от 12-го до 96-го порядка. АЧХ фильтра 96-го порядка имеет спад за полосой пропускания 120 дБ за четверть октавы. Эти АЦП при внешней тактовой частоте 40 МГц обеспечивают при 256- и 32-кратном прореживании (частоты выборок соответственно 78 и 625 кГц) отношение сигнал/шум 112 и 107 дБ соответственно. Модель AD7760 допускает также 8-кратное прореживание (частота выборок 2,5 МГц), при этом отношение сигнал/шум составляет 100 дБ. Мощность, потребляемая этими АЦП, около 1 Вт.
АЦП последовательного приближения продолжают оставаться основным типом АЦП среднего быстродействия с разрешающей способностью 8…18 бит. Фирма National Semiconductor выпускает семейство недорогих одноканальных АЦП ADCхх1Sxx1 (см. табл. 1), различающихся разрядностью и быстродействием.
Каждая из моделей семейства включает УВХ, компаратор, ЦАП на конденсаторах с перераспределением заряда и управляющую логику (см. рис. 3). Как видно из схемы, входное сопротивление АЦП не может быть определено. Можно говорить лишь о входной емкости в режиме выборки и токе утечки в режиме хранения. Интерфейс простейший последовательный с совмещением по времени преобразования и передачи данных, а цикл преобразования — передачи одинаков для всех моделей и занимает 16 тактов. Тактовый сигнал частотой 1…4 МГц (для самых медленных моделей) поступает на вход SCLK. Если использовать более низкую частоту, то возможно появление погрешности, обусловленной разрядом конденсатора УВХ. АЦП может быть переведен в режим пониженного энергопотребления Shutdown. Эти ИМС изготавливаются в миниатюрных 6-выводных корпусах SOT-32 и LPP и стоят в оптовых партиях от 0,78 до 1,85 долл.
Фирма Analog Devices выпускает семейство AD7276/7/8 12/10/8-разрядных АЦП. Эти АЦП имеют частоту преобразования до 3 МГц при тактовой частоте 48 МГц.
Texas Instruments также производит в 6-выводных корпусах подобное семейство АЦП ADS7866/7/8 с разрядностью 12, 10 и 8 при частоте выборок до 300 кГц и ADS7886/7/8 с частотой выборок до 1,25 МГц.
Кроме того, Texas Instruments производит интересное семейство быстродействующих АЦП высокой разрядности (см. табл. 2).
Один из представителей этого семейства ADS8413 — 16-разрядный АЦП последовательного приближения с последовательным LVDS-интерфейсом.
Близкими характеристиками обладает 18-разрядный AD7641 Analog Devices. Несмотря на то, что его дифференциальная нелинейность может достигать 2 МЗБ, производитель утверждает, что АЦП не имеет пропуска кодов. Прибор имеет параллельный и последовательный интерфейсы, причем программно могут быть установлены 18-, 16- или 8-битные режимы передачи данных. Характеристики преобразования несколько лучше, чем у ADS8413: SINAD = 94 дБ, ENOB = 15,3 бит при преобразовании
сигнала частотой 10 кГц. AD7641 довольно экономичен, он потребляет менее 0,1 Вт. Примерами АЦП последовательного приближения с пониженным энергопотреблением могут служить MAX1393/6 фирмы Maxim и LTC1863/7 фирмы Linear Technology. MAX1393 — 12-разрядный одноканальный АЦП с дифференциальным входом и последовательным интерфейсом.
LTC1867 — восьмиканальный 16-разрядный АЦП с внутренним ИОН и последовательным интерфейсом. Номинальная частота преобразования — 175 кГц. Напряжение питания 2,7ѕ3,6 В. При номинальной частоте и напряжении 2,7 В ток потребления составляет типично 0,75 мА, при частоте преобразования 20 кГц — 0,2 мА. АЦП не имеет пропуска кодов, при этом нелинейность может достигать 3 МЗБ. Его SINAD при преобразовании синусоидального сигнала частотой 1 кГц составляет 83,1 дБ.
Скоростные АЦП
АЦП этой категории применяются в приборах ультразвуковой диагностики, проводных и беспроводных системах коммуникаций, испытательном оборудовании систем связи, а также в недорогих цифровых осциллографах. Современные скоростные АЦП — это почти исключительно приборы конвейерной архитектуры [1] с дифференциальным аналоговым входом, имеющие режим пониженного энергопотребления. Основные типы интерфейса — параллельные с КМОП- и ТТЛ-уровнями и последовательные низковольтные дифференциальные интерфейсы (LVDS).
Типичный 12-разрядный скоростной АЦП — AD9237. Он имеет 11 ступеней преобразования с коррекцией кодов.
Счетверенный вариант этого АЦП — AD9229 — оснащен последовательным LVDS-интерфейсом со скоростью передачи данных по каждому каналу 780 МБод. Прибор имеет стабилизатор скважности входного тактового сигнала и умножитель частоты с ФАПЧ. Минимальная частота преобразования, определяемая условиями устойчивости ФАПЧ, составляет 10 Мвыб./с.
Конвейерная архитектура позволяет наращивать разрядность АЦП с минимальным усложнением схемы без снижения производительности. 14-разрядный MAX12557 имеет производительность 65 Мвыб./с. За счет низкого апертурного джиттера (среднеквадратическое значение — 0,5 пс) и высокого быстродействия УВХ он может в стробоскопическом режиме преобразовывать сигналы частотой до 750 МГц. При частоте входного сигнала 70 МГц его SINAD = 73,4 дБ.
14-разрядные AD9246 и LTC2255 имеют еще большую производительность — 125 Мвыб./с, причем диапазон напряжения питания AD2946 составляет 1,8ѕ3,3 В.
16-разрядные LTC2208 (130 Мвыб./с) и MAX19586 (80 Мвыб./с) обладают самыми высокими значениями SINAD (77,4 дБ и 77,6 дБ соответственно) при частоте входного сигнала 70 МГц. У LTC2208 к тому же рекордно низкий апертурный джиттер (0,07 пс СКЗ). Цифровые выходы данных параллельного интерфейса этого АЦП могут быть сконфигурированы для сопряжения с LVDS- или с КМОП — приемниками.
Сверхскоростные АЦП
Области применения сверхскоростных АЦП — радиолокационные системы, цифровые осциллографы, широкополосные цифровые приемники, в том числе многоканальные приемники базовых станций сотовой телефонии.
Если еще недавно среди АЦП с производительностью более 200 Мвыб./с преобладали параллельные АЦП, то новейшие модели этого класса имеют также конвейерную архитектуру. Существенным отличием новых моделей сверхскоростных АЦП является параллельный LVDS-интерфейс. Один из таких АЦП — 12-разрядный сдвоенный MAX1219 имеет максимальную производительность 210 Мвыб./с (минимальная — 40 Мвыб./с). Напряжение питания 1,8 В, потребляет мощность 1,6 Вт. Лучшими характеристиками обладает 13-разрядный ADS5444 фирмы Texas Instruments – максимальная производительность 250 Мвыб./с, минимальная — 10 Мвыб./с.
Фирма National Semiconductor выпускает сдвоенный 8-разрядный АЦП ADC08D1500, способный производить 1,5 Гвыб./с. Многоступенчатый конвейер этого прибора создает задержку выходных данных относительно выборки входного сигнала на 13 тактов. АЦП питается от одного источника 1,9 В и потребляет 1,8 Вт. Каждый канал прибора имеет на выходе демультиплексор 1х2, облегчающий сопряжение с более медленными приемниками. Входной аналоговый мультиплексор наряду с поочередным тактированием каналов позволяет реализовать одноканальный режим производительностью 3 Гвыб./с. Дифференциальное входное сопротивление АЦП 100 Ом согласуется с волновым сопротивлением витой пары.
10-разрядный AT84AS008 фирмы Atmel имеет максимальную производительность 2,2 Гвыб./с (минимальную 200 Мвыб./с). Прибор имеет выходной демультиплексор 1х2 или 1х4. Конвейерная задержка — 4 такта. Дифференциальное входное сопротивление также 100 Ом.
В таблицах 3, 4 и 5 приведены основные параметры АЦП различной архитектуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом Додэка-XXI, 2005, 528 с.