Генератор с ультранизкими искажениями менее -140 дБ

Для схем АЦП с разрешением 20 и более бит необходим источник сигнала с низким уровнем шумов для измерения таких параметров, как гармонические искажения или эффективная разрядность. Для проверки гармонических искажений режекторный фильтр удаляет основную частоту из сигнала генератора.

Генераторы с низким уровнем искажений необходимы для тестирования современных АЦП (аналого-цифровых преобразователей) с разрешением более 20 бит. Тестирование усилителей с низким уровнем THD (общих гармонических искажений) –120 дБ или менее также требует таких генераторов. Имеющиеся в продаже измерители нелинейных искажений предлагают множество измерительных функций, но даже самые лучшие из них имеют предел измерения THD где-то около –115 дБ [1]. Было опубликовано несколько конструкций генераторов с низким уровнем искажений, но их THD также составляет –120 дБ или чуть лучше [2, 3, 4]. В компании JanasCard мы разработали генератор с THD ниже –140 дБ, который мы используем для внутренних испытаний.

В генераторе на Рисунке 1 используется топология моста Вина со стабилизацией амплитуды с помощью сульфид-кадмиевого (CdS) фотоэлемента, освещаемого светодиодом. IC₁ и IC₂ – это малошумящие, высоколинейные аудиоусилители LME49710 от Texas Instruments – ключевые компоненты генератора. Нелинейность этих усилителей в инвертирующем режиме составляет менее 0.1 ppm [5]. Микросхема IC₁ работает как инвертор с коэффициентом усиления –1. Микросхема IC₂ в сочетании с элементами R₁, R₂, R₃, R₄, C₁, C₂ и C₃ образует полосовой фильтр, который устанавливает резонансную частоту генератора равной 2 кГц. В схеме используется мост Вина с соотношениями номиналов компонентов R, C, R/2 и 2C, поскольку генератору необходим инвертирующий коэффициент усиления –1.

Рисунок 1.	Генератор с ультранизкими искажениями.

Можно использовать более простую конфигурацию с равными значениями R и C [4], но для этого потребуется инвертор с коэффициентом усиления –2, и выходной сигнал придется снимать с инвертирующего усилительного каскада. Результирующий шум будет значительно выше из-за более высокого общего коэффициента усиления и из-за того, что полоса пропускания схемы не ограничивается.

Шум также является важным параметром для тестирования АЦП. Поэтому для определения шумовых характеристик генератора мы использовали SPICE-моделирование. Из Рисунка 2 видно, что спектральная плотность напряжения шумов схемы имеет наибольшее значение на резонансной частоте, а затем спадает на более высоких частотах из-за полосовой фильтрации. Общий шум в диапазоне 20 Гц-30 кГц составляет 1.7 мкВ. Это дает теоретическое отношение сигнал/шум, равное 126 дБ при уровне выходного сигнала 10 В пик-пик или 3.5 В с.к.з. Усилитель LM49710 имеет плотность напряжения шумов 2.5 нВ/√Гц. Резисторы и входные шумовые токи усилителей также увеличивают общий шум. Если важно обеспечить минимально возможный уровень шума, можно использовать более низкие значения сопротивлений, но это приведет к увеличению энергопотребления и усилению искажений. Характеристики искажений микросхемы LM49710 приведены для минимального сопротивления нагрузки 600 Ом.

Рисунок 2.	Моделирование шума.

Схема АРУ (автоматической регулировки усиления) для стабилизации амплитуды генератора состоит из двухполупериодного выпрямителя с высоким входным сопротивлением (IC_3A, IC_3B), интегратора IC₄ и оптопары O₁. Напряжение на фоторезисторе оптопары задается 18-омным параллельным резистором R₁₈ и составляет всего 18 мВ. Это напряжение поддерживает напряжение на оптоизоляторе O₁ на пренебрежимо малом уровне. Многооборотный подстроечный потенциометр R₂₁ через светодиод O₁ устанавливает рабочую точку АРУ на уровне примерно 10 мА (5 В в контрольной точке TP₁). Медленно вращайте потенциометр R₂₁ до тех пор, пока не произойдет захват АРУ; постоянная времени контура регулирования составляет несколько секунд. Настройка довольно чувствительна из-за узкого диапазона петли АРУ. После установки правильной рабочей точки с помощью R₂₁ многооборотным подстроечным потенциометром R7 установите амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 5 до 10 В пик-пик.

Правильный выбор пассивных компонентов сигнальной цепи является еще одним важным требованием для минимизации искажений. Предпочтительно использовать выводные резисторы с допуском 0.1% и температурным коэффициентом 15 ppm/K, конденсаторы – фольговые с полистирольной изоляцией. Приемлемым выбором также являются керамические конденсаторы с диэлектриком NP0 с их меньшими размерами и более низкими температурными коэффициентами, но немного более высокими искажениями [6].

Проверка характеристик

Нам неизвестно ни об одном серийно устройстве с разрешением, достаточным для непосредственного измерения искажений в схеме АЦП. К счастью, можно использовать простой двухэтапный подход. Во-первых, максимально ослабьте основную частоту – не менее чем 80 дБ. Режекторный фильтр с низкими искажениями позволяет измерять остаточные искажения гораздо проще, чем с помощью анализатора спектра. На Рисунке 3 показан перестраиваемый режекторный фильтр с усилителем. Режекторный фильтр представляет собой пассивный двойной Т-образный мост, вырезающий основную частоту генератора, но он также ослабляет вторую и третью гармоники примерно на 9 дБ и 5 дБ, соответственно.

Искажения, вносимые режекторным фильтром, очень важны, поэтому в нем следует использовать те же высококачественные пассивные компоненты, что и в генераторе. Подайте выходной сигнал режекторного фильтра на малошумящий усилитель IC₁ с коэффициентом усиления 100. Контролируйте выход усилителя с помощью любого обычного анализатора спектра или с помощью звуковой карты ПК и программного обеспечения для частотного анализа. Для быстрой самопроверки искажений и точности усиления всей измерительной цепи в схеме имеется выбираемый перемычками резистивный делитель (R₉, R₁₀) с затуханием 70 дБ.

Рисунок 3.	Режекторный фильтр на основе двойного Т-моста.

На Рисунке 4 показаны общие характеристики шумов и искажений усилителя и анализатора, когда аттенюатор подключен к выходу генератора. В качестве анализатора спектра мы использовали наш модуль сбора данных AD14ETH. Модуль имеет 14-битный АЦП с частотой дискретизации 400 квыб/с. Модуль усредняет 8 отсчетов, чтобы снизить скорость выборки до 50 квыб/с, и использует 128 квыб для выполнения быстрого преобразования Фурье. Большое количество выборок необходимо для получения максимально возможного динамического диапазона; уровень второй гармоники составляет всего –150 дБВ, поэтому необходимо разрешение по частоте лучше 1 Гц. Из Рисунка 4 видно, что шумовой порог усилителя равен –155 дБВ. Третья гармоника равна –141 дБВ, поэтому THD усилителя вместе с THD модуля составляет менее 80 дБ.

Рисунок 4.	Шум и искажения усилителя.

Рисунок 5.	Искажения с конденсаторами NP0.

Убедившись, что перемычки JP₅, JP₆ разомкнуты, а JP₄ и JP₇ замкнуты, подключите к выходу вольтметр переменного тока или осциллограф и потенциометрами P₁ и P₂ установите максимальное затухание основной частоты генератора. Теперь фильтр готов к измерению THD генератора. На Рисунке 5 показаны искажения генератора с конденсаторами NP0 при уровне выходного сигнала +10 дБВ: вторая гармоника –147 дБВ, третья гармоника –143 дБВ. Таким образом, вторая гармоника на 10 + 147 – 9 = 148 дБ ниже основной. Третья гармоника на 10 + 143 – 5 = 148 дБ ниже основной гармоники. THD равно –145 дБ. На Рисунке 6 показаны искажения для случая, когда C₃ заменен фольговым конденсатором с полистирольной изоляцией. Искажения на несколько дБ ниже. Вторая гармоника составляет –151 дБ, что практически незаметно на фоне шума. Третья гармоника также составляет –151 дБ от основной. THD равно –148 дБ.

Рисунок 6.	Искажения с полистирольным фольговым конденсатором.

Если приемлемы более скромные характеристики, можно использовать значительно упрощенную версию генератора.

Генератор на Рисунке 7 представляет собой стандартный неинвертирующий мост Вина с усилением +2, построенный на основе усилителя IC₁ и интегратора IC₂; активный выпрямитель заменен сдвоенным диодом D₅, вторая половина которого выполняет функцию температурной компенсации. Эта упрощенная версия имеет THD –120 дБ и более высокий уровень шума, чем первая схема, из-за более высокого усиления шума и отсутствия полосового фильтра, но она все равно превосходит многие, по крайней мере, в 100 раз более дорогие устройства.

Рисунок 7.	Простой генератор с мостом Вина.

Ссылки

1. Audio Precision analyzer series 2700.
2. Smith, Jeff, “Oscillator keeps THD below 1 ppm,” EDN Design Ideas, November 10, 1994.
3. Eagar Dale, “Using Super Op Amps to Push Technological Frontiers: an Ultra-Pure Oscillator”
4. Williams, Jim and Guy Hoover, “Test 18-bit ADCs with an ultrapure sine-wave oscillator,” EDN, August 11, 2011.
5. Pease, Robert A.,”Gain and Linearity Testing for Precision Operational Amplifiers.”
6. Bateman, C.,”Capacitor Sounds 1 - Low Distortion (sub 1PPM ) 1 kHz Test Oscillator”

Материалы по теме

1. Datasheet National Semiconductor LME49710
2. Datasheet Texas Instruments OPA209
3. Datasheet Texas Instruments TL081
4. Datasheet Texas Instruments TL082
5. Datasheet ON Semiconductor TL431A
6. Datasheet Silonex NSL-32SR3S
7. Datasheet Taiwan Semiconductor BAS40
8. Datasheet Nexperia BAV99
9. Datasheet ON Semiconductor BC337