Журнал "Новости Электроники", номер 4, 2008 годАЦП и ЦАП Texas Instruments для приложений с низким потреблением
Евгений Звонарев (КОМПЭЛ)Рассмотрены АЦП и ЦАП из широкого ассортимента компании Texas Instruments, ориентированные на устройства с минимальным энергопотреблением. Низкое потребление энергии АЦП и ЦАП от источника питания ассоциируется обычно с низкой скоростью обработки сигналов, однако современные достижения микроэлектроники демонстрируют сочетание относительно высокого быстродействия и экономичного расходования энергии.
АЦП с низким потреблением
Наиболее экономичные архитектуры АЦП - это дельта-сигма АЦП (delta-sigma или) и SAR АЦП (Successive-Approximation Register или АЦП последовательного приближения). Самые оптимальные из них с сочетанием высокой точности и щадящим отношением к источнику питания сведены в таблицу 1, которая составлена на основе рекомендаций производителя. Конечно, выбор наиболее оптимальных микросхем с точки зрения низкого потребления не ограничивается только данными таблицы 1, так как все зависит от мощности и емкости источника питания и некоторых других параметров системы обработки сигналов.
Максимально высокой точностью и линейностью характеристик преобразования обладают DS АЦП при относительно невысоком быстродействии (см. наименования в первых четырех строчках таблицы 1).
Таблица 1. Аналого-цифровые преобразователи Texas Instruments для приложений с низким потреблением электроэнергии| Наименование | Описание | Свойства | Корпус(а) |
|---|---|---|---|
| ADS1222/4 | 24 разряда, 2/4 канала, дельта-сигма, дифференциальный вход | 2,7...5,5 В, SPI, 240 sps, ±5 В дифф. вход, 0,0003% INL** | TSSOP-14 |
| ADS1225/26 | 24 разряда, 2/4 канала, дельта-сигма, дифференциальный вход | 2,7...5,5 В, SPI, 100 sps, 0,0005% INL | 4x4 QFN-16 |
| ADS1244/1 | 24 разряда, 15 sps*, 1/8 каналов, дельта-сигма, I2C, shutdown | 1,8...3,6 В, 90 мкА, 50/60 Гц цифровой фильтр | MSOP-10 |
| ADS1110/2 | 16 разрядов, 15 sps, 1/2 канала, дельта-сигма, I2C-интерфейс | 2,7...5,5 B, 240 мкА, внутренний ИОН, PGA*** | SOT23-6 |
| ADS7823/8 | 16 разрядов, 50 ksps, 1/8 каналов, SAR АЦП, I2C-интерфейс | 2,7...5,5 В, внутренний ИОН 2,5 В | TSSOP-16 |
| ADS8325 | 16 разрядов, 100 ksps, 1 канал, SAR АЦП, SPI-интерфейс | 2,7...5,5 B, 4,5 мВт при 100 кГц (1 мВт при 10 кГц) | 3х3 QFN-8 |
| ADS7886/7/8 | 12/10/8 разрядов, 1 Msps, SAR АЦП, SPI-интерфейс | 2,5...5,75 В, 71,2 дБ SNR и -84 дБ при 100 кГц | SOT23-6, SC70-6 |
| ADS7822 | 12 разрядов, 75 ksps, 1 канал, SAR АЦП, SPI-интерфейс | 2,7...3,6 В, 60 мкВт при 7,5 кГц, 540 мкВт при 75 кГц | MSOP-8 |
| ADS7829 | 12 разрядов, 125 ksps, 1 канал, SAR АЦП, SPI-интерфейс | 2,7...5,25 В, <60 мкВт при 75 кГц, наличие режима shutdown | 3х3 QFN-8 |
| ADS7827 | 8 разрядов, 250 ksps, 1 канал, SAR АЦП, SPI-интерфейс | 2,7...5,25 В, <60 мкВт при 75 кГц, наличие режима shutdown | 3х3 QFN-8 |
| *sps - samples per second - количество отсчетов (выборок) в секунду. **INL - интегральная нелинейность характеристики преобразования. ***PGA - Programmable Gain Amplifier - усилитель с программируемым усилением. | |||
Среди них нельзя отставить без внимания новые DS АЦП ADS1225/ADS1226 с одним или двумя дифференциальными каналами. Структурная схема этих аналого-цифровых преобразователей и их основные характеристики показаны на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема и основные параметры новых АЦП ADS1225/ADS1226
Одна из особенностей ADS1225/ADS1226 - наличие встроенного отключаемого буферного усилителя. Включение буферного усилителя позволяет повысить точность преобразования, но увеличивает ток потребления от аналогового источника питания. Например, при напряжении аналогового питания 5 В с включенным буфером этот ток составляет 400 мкА, а при отключенном - 280 мкА. При напряжении питания 3 В - 380 и 270 мкА соответственно. Кроме того, ADS1225/ADS1226 имеют вход запуска преобразования. После окончания преобразования АЦП переходит в режим shutdown. Ток потребления в этом режиме составляет менее 1 мкА, что позволяет в отключенном режиме существенно экономить энергию источника питания. Для дальнейшей обработки цифровых данных целесообразно использовать микроконтроллеры Texas Instruments MSP430 с очень низким потреблением электроэнергии.
Среди новых 24-разрядных дельта-сигма АЦП вызывают интерес ADS1271 (один канал), ADS1274 (два канала), ADS1278 (четыре канала) с максимальной скоростью преобразования до 125 ksps. Эти микросхемы отличаются высокими динамическими и статическими характеристиками. Полоса пропускания составляет 51 кГц, суммарный коэффициент гармонических искажений -105 дБ. У разработчика есть возможность выбора режимов работы - высокая скорость преобразования, высокое разрешение или режим максимальной экономии электроэнергии. Структурная схема этих преобразователей и их основные параметры приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема и основные характеристики ADS1271, ADS1274, ADS1278
Очень низкий дрейф и шум АЦП достигается за счет стабилизированных по чопперной (chopper) схеме дельта-сигма модуляторов.
ЦАП с низким потреблением
Параметры цифроаналоговых преобразователей Texas Instruments для приложений с низким потреблением приведены в таблице 2. Конечно, этим перечнем не исчерпывается весь спектр подходящих ЦАП для этих целей. Таблицу 2 следует рассматривать в качестве исходного выбора соответствующего преобразователя.
Таблица 2. Цифроаналоговые преобразователи Texas Instruments для приложений с низким потреблением электроэнергии| Наимено- вание | Описание | Свойства | Корпус(а) |
|---|---|---|---|
| DAC857x | 16 разрядов, 1/4 канала, I2C интерфейс | 2,7...5,5 В, 160 мкА/канал, время установления 10 мкс | MSOP-8 |
| DAC855x | 16 разрядов, ultra-low glitch, 1/2/4 канала, SPI-интерфейс | 2,7...5,5 В, 200 мкА/канал, время установления 10 мкс (0.003%) | MSOP-8 |
| DAC8560 | 16 разрядов, 1 канал, внутренний ИОН 2.5 В, 2 ppm/°C | 2,7...5,5 В, SPI-интерфейс, время установления 10 мкс | MSOP-8 |
| DAC8830/1 | 16 разрядов, ультранизкое потребление, 1 канал | 2,7...5,5 В, SPI-интерфейс, время установления 10 мкс, 10нВ/ÖГц | SO-8/SO-14/QFN-14 |
| DAC8801/11 | 14/16 разрядов, однополярное питание | 2,7...5,5 В, SPI-интерфейс, 2 мкА, INL = ±1 LSB* | MSOP-8, SON-8 |
| DAC7512 | 12 разрядов, 1 канал, SPI интерфейс | 2,7...5,5 В, SPI-интерфейс, 135 мкА, встроенный RRO** буферный усилитель | SOT23-6 |
| DAC755x | 12 разрядов, ultra-low glitch, 1/2/4/8 каналов | 2,7...5,5 В, SPI-интерфейс, 200 мкА, встроенный буферный усилитель | SON |
| DAC657x | 10 разрядов, 1/4 канала, I2C-интерфейс | 2,7...5,5 В, 160 мкА/канал, время установления 10 мкс, RRO-усилитель | SOP-6 |
| DAC557x | 8 разрядов, 1/4 канала, I2C-интерфейс | 2,7...5,5 В, 160 мкА/канал, время установления 10 мкс, RRO-усилитель | SOP-6 |
| *LSB - Least Significant Bit - младший значащий разряд (МЗР). **RRO - Rail-to-Rail Output - буферный усилитель с выходным сигналом, близким к напряжению питания. | |||
Новые цифроаналоговые преобразователи в таблице 2 выделены красным цветом. DAC8830 и DAC8831 - одноканальные 16-разрядные ЦАП с однополярным питанием от 2,7 до 5,5 В. Они характеризуются высокой линейностью (1 LSB INL, то есть интегральная нелинейность в пределах одного младшего значащего разряда), малым временем установления (1 мкс при достижении максимального значения с точностью 1/2 МЗР). Диапазон рабочих температур от -40 до 85°С. Производитель отмечает очень низкое потребление этих микросхем (15 мкВт при напряжении питания 3 В). Структурная схема и основные параметры рассмотренных ЦАП приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема DAC8830, DAC8831, DAC8832
На рисунке 4 приведены параметры еще двух семейств цифроаналоговых преобразователей общего применения DAC855x и DAC856x.
Рис. 4. Структурная схема и параметры ЦАП серий DAC855x и DAC856x
Среди них Texas Instruments обращает особенное внимание на DAC8554. Это счетверенный 16-разрядный ЦАП с прецизионными rail-to-rail операционными усилителями на выходах. Время установления этих преобразователей составляет 10 мкс при достижении точности выходного сигнала 0,003% от максимального сигнала (FSR). Преобразователь DAC8560 имеет встроенный прецизионный ИОН, стабильность выходного напряжения которого составляет 2 ppm/°С.
Еще один интересный микромощный цифроаналоговый преобразователь - это DAC8871 с биполярным выходом и типовой потребляемой мощностью 15 мкВт при двуполярном напряжении питания ±18 В. Производитель не встроил в эту микросхему выходной усилитель. Это сделано для уменьшения потребляемой мощности и предоставления разработчику выбора операционного усилителя для достижения оптимальных параметров преобразования. Время установления DAC8871 находится в пределах 1 мкс при достижении точности выходного сигнала 1 МЗР (LSB). Низкий собственный шум 10 нВ/ЦГц микросхемы DAC8871 позволяет получить широкий динамический диапазон выходного сигнала. Основные параметры и структурная схема DAC8871 приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Основные параметры и структурная схема DAC8871
Заключение
В печатном руководстве Texas Instruments по выбору электронных компонентов для приложений с низким потреблением «Analog and Logic for Low - Power Processors» предлагаются также микросхемы для создания экономичных DC/DC-преобразователей, LDO-стабилизаторы, супервизоры для мониторинга питания, низковольтные операционные усилители с напряжением питания от 1,8 В, компараторы с очень низким потреблением, инструментальные усилители, источники опорного напряжения, преобразователи логических уровней, датчики температуры, интерфейсные микросхемы и радиочастотные схемы для беспроводной передачи данных. Под микроконтроллерами с низким потреблением Texas Instruments по умолчанию подразумевает популярное семейство MSP 430, очень хорошо известное нашим разработчикам. Каждый месяц на сайте Texas Instruments www.ti.com появляются новинки среди разных категорий продукции. Основная тенденция развития микросхем - повышение производительности при одновременном снижении энергопотребления.
| Ваш комментарий к статье | ||||
