Подавление пульсаций ШИМ ЦАП и помех по цепям питания

Несколько лет назад я опубликовал статью «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1], демонстрирующую простой прием для подавления пульсаций на выходе ШИМ (см. Рисунок 1). В нем используется пассивное суммирование обычного ШИМ сигнала с его инверсией, связанной по переменному току, что значительно ослабляет нежелательную составляющую переменного тока (пульсации), не влияя на полезную постоянную составляющую.

Тестирование алкалиновых батареек POWER FLASH: параметры подтвердились

Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием.
Рисунок 1. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием.

К счастью, «Подавитель …» в целом был хорошо принят читателями. Для него даже нашлось несколько страниц в очередном издании популярной книги «Искусство схемотехники» авторов Уинфилда Хилла и Пола Горовица, которые внесли в эту схему некоторые потрясающие усовершенствования.

Одно из улучшений Хилла и Горовица было связано с тем фактом, что точность ШИМ ЦАП, как правило, ограничивается зависимостью от источников питания цифровой логики, которые, как справедливо отмечают Хилл и Горовиц, «заведомо неточны». Их хитроумное решение (см. Рисунок 2) состоит в том, чтобы к обычной схеме ШИМ добавить прецизионные аналоговые коммутаторы и точный источник опорного напряжения (ИОН), и тем самым изолировать выход ЦАП от неточности напряжения VLOGIC источника питания логики. Один коммутатор формирует точную версию обычного сигнала ШИМ, а другой – его инверсию. Добавлением переменной составляющей последнего к постоянному напряжению первого реализуется аналоговое вычитание с подавлением пульсаций, как описано в моей статье от 2015 года.

Эскиз концепции улучшения точности ШИМ, предложенной Хиллом и Горовицом.
Рисунок 2. Эскиз концепции улучшения точности ШИМ, предложенной
Хиллом и Горовицом.

Это, безусловно, элегантное, вполне работоспособное и эффективное решение проблемы точности ШИМ.

Однако, поскольку для каждого ЦАП необходимы два корпуса аналоговых коммутаторов, в случае, если потребуется несколько каналов ШИМ ЦАП, количество корпусов может стать неудобно большим. Кроме того, по мере увеличения количества каналов растет общая нагрузка на источник напряжения VREF, что, в зависимости от используемой микросхемы ИОН, может в конечном итоге снизить точность опорного напряжения.

Поэтому на Рисунке 3 показан упрощенный вариант схемы на Рисунке 2, в котором для получения сигнала подавления пульсаций используется управляющий сигнал логики ШИМ, благодаря чему экономится аналоговый ключ и вдвое снижается нагрузка на источник VREF. Это требует масштабирования номиналов компонентов вычитания пульсаций R2C2 с коэффициентом, равным отношению VLOGIC/VREF, что, конечно, будет работать только до тех пор, пока это отношение стабильно. Обратите также внимание, что уставка ШИМ должна быть дополнением до единицы (V = –V – 1), что легко реализуется программным способом.

Используемый для подавления пульсаций логический сигнал ШИМ позволяет сократить количество коммутаторов.
Рисунок 3. Используемый для подавления пульсаций логический сигнал
ШИМ позволяет сократить количество коммутаторов.

В случае если напряжение VLOGIC недостаточно стабильно для работы схемы на Рисунке 3, можно воспользоваться еще одной реализацией концепции повышения точности Хилла и Горовица, показанной на Рисунке 4, в которой используется метод точного отслеживания соответствия площади импульса (произведения амплитуды на длительность и на частоту) точному опорному напряжению, как показано в другой недавней статье [2] в контексте аналого-цифрового преобразования с помощью ПНЧ.

Схема на Рисунке 4 основана на способности регулируемых источников опорного напряжения, таких как TL431, выполнять функцию аналоговых компараторов/ интеграторов с точными значениями внутренних порогов, как показано на Рисунке 5.

TL431 (U1) интегрирует среднюю разность между напряжением на выводе 2 микросхемы U2 и своим внутренним опорным напряжением 2.50 В и обеспечивает равенство этих значений, увеличивая длительность импульса Q2, когда площадь импульса, равная произведению тактовой частоты FCLK на длительность импульса TQ2 и на 5 В меньше 2.5 В, и уменьшая ее, когда она превышает 2.5 В. Элементы R1 и C4 задают постоянную времени интегрирования, резистор R4 обеспечивает компенсацию входного тока смещения микросхемы U1 (равного примерно 1.8 мкА), а R5 служит для подтяжки выхода U1.

Площадь импульса Q2 поддерживается равной опорному напряжению.
Рисунок 4. Площадь импульса Q2 поддерживается равной опорному напряжению.

Согласованность параметров внутренних устройств микросхемы U2 (времена распространения, нарастания и т. д.) заставляет остальные три канала точно отслеживать состояние внутреннего триггера контура обратной связи U2, тем самым, обеспечивая точную калибровку для всех трех каналов ШИМ. Соответствующие RC-цепи реализуют подавление пульсаций, и если используются все три, работа трех точных ЦАП обеспечивается лишь двумя корпусами микросхем.

Конечно, если требуется менее трех каналов, все три цепи подавления пульсаций будут не нужны.

Площадь импульса Q2 поддерживается равной опорному напряжению.
Рисунок 5. LT431 в качестве точного компаратора/усилителя
разностных сигналов с встроенным источником
опорного напряжения VREF (из технического описания
TL431).
  1. Datasheet Texas Instruments 1P1G3157QDBVRQ1
  2. Datasheet Texas Instruments SN74HC175
  3. Datasheet Diodes TL431

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 28
сейчас смотрят 24
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862