Модульный ЦАП на AD1853. Часть 3. "Выхлоп"

День добрый! Пришло время составить схему аналоговой части моего ЦАПа, т.н. «выхлопа». Выбрать схему преобразователя ток/напряжение и ФНЧ, смоделировать ее и нарисовать окончательный вариант.

Постановка задачи

Мы в прошлой части получили на выходе ЦАПа аналоговый сигнал. Что еще нужно то? А нужно сделать 2 вещи:
1. Преобразовать выходной ток ЦАПа в напряжение, т.к. линейный выход стандартизирован по напряжению, а не току.
2. Восстановить аналоговый сигнал с помощью НЧ-фильтра — отрезать все ненужные ВЧ-составляющие, появившиеся в результате ЦА-преобразования.

Итак, приступим.

Преобразователь ток/напряжение

Под преобразование тока в напряжение подразумевают такое преобразование, когда выходное напряжение преобразователя прямо пропорционально входному току.
Рассмотрим схему преобразователя на операционном усилителе, которую мы будем использовать в проекте. Такой преобразователь применим для любых ЦАП с токовым выходом. Пассивное преобразование на резисторе не допускается, т.к. может привести к порче чипа ЦАП.

Она представляет собой схему инвертирующего усилителя, но без резистора во входной цепи. Выходное напряжение такой схемы определяется по формуле:
U_out = -R·I_in
Вход REF служит для задания опорного уровня преобразования. Даташит говорит, что в ЦАПе имеется внутренний источник опорного напряжения, равный 2,75 В. Его подключение к преобразователю ток-напряжение улучшает температурную стабильность параметра THD+N.
Также даташит говорит нам, что выходной ток ЦАП имеет peak-to-peak значение 3 мА на двух дифференциальных выходах. На каждом отдельном выходе будет размах 1,5 мА. И предлагается использовать номинал резистора обратной связи равный 4,12 кОм. Согласно формуле, получим инвертированные 6,18 В максимальной амплитуды на выходе преобразователя.
Вы, наверное, заметили, что параллельно резистору нарисован конденсатор. Дело в том, что большинство моделей ЦАП имеют значительную выходную емкость. Для AD1853 она составляет 30 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R создает дополнительный полюс частотной характеристики петли ОС ОУ, который может привести к самовозбуждению. Поэтому для обеспечения устойчивости дополнительно включают конденсатор параллельно резистору ОС. Его емкость в первом приближении можно принять равной выходной емкости ЦАП. Для более точного выбора C необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Однако такие меры снижают быстродействие схемы. Так что это «палка о двух концах»...
Возьмем в качестве отправной точки номинал, указанный в даташите (330 пФ), а потом уточним основываясь на готовых конструкциях ЦАП и применяемых ОУ.

Фильтр нижних частот

Для восстановления аналогового сигнала будет использовать активную фильтрацию, используя ФНЧ на операционном усилителе. В даташите приведена схема фильтра Гаусса с частотой среза 75 кГц, что очень даже приемлемо. Ее и будем использовать, немного подкорректировав номиналы.
Окончательная схема принимает вид:

Получившаяся АЧХ фильтра имеет вид:



Скачать модель (~130 KB) (Multisim 11)
Форма и амплитуда сигнала на выходе:


Уровень сигнала: 6 В в пике и 2,12 В RMS значение. Это соответствует стандарту линейного выхода.

В результате имеем:

Еще нужно отметить, что между линиями дифференциального входа и между входами ОУ включены конденсаторы. Эти конденсаторы совместно с выходным сопротивлением модуляторов образуют дифференциальный (C7, C21) и синфазный (C5, C10, C19, C24) фильтры. Но емкость на инвертирующем входе (плюс к этому, как вы помните, выходная емкость ЦАП) совместно с входным сопротивлением (очень малым при охвате ОУ обратной связью) образует нуль на АЧХ. Коррекция производится с помощью конденсаторов C1, C14, C15, C28.

Все части: Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4