60 - 85

Прецизионный
преобразователь
напряжения в частоту
1316ПП1АУ, 1316ПП1БУ
Агрич Юрий Владимирович
с.н.с. ИППМ РАН
agrich@ippm.ru
8.916.6590820
ОКР Разработка прецизионного
преобразователя напряжения в частоту
• Заказчики:
•
•
•
•
ФГУП НИИ Приборостроения
НПО Алмаз
Головной исполнитель:
ЗАО ПКК Миландр
Соисполнитель: ИППМ РАН
Шифр:
АКСЕЛ-2, 3
Состояние:
ОКР с приемкой 5 сдан в 3 кв. 2010г.
Производятся поставки микросхем с
приемкой
2
Функциональная схема
Re fe re nce
+4V
Logic
-4V
InInt
+3V
FT
FB
CP
In
Q
OP
-3V
CP
Ovfl
Offs
3
Вспомогательные блоки
Источник опорного
напряжения
BandGap: Vbg=1.22 В
Буфер: VrefT= +4,096 В
Буфер: VrefB= -4,096 В
Источник низковольтного
питания
Vddi=2,75 В
Источник токов смещения
(Bias)
Ibs=10 мкА
Конденсатор интегратора
POR
(Power On Reset)
ЦАП тока коррекции
смещения ОУ
Схемы сдвига уровней
3В в 5В
3 В в 10 В
5В в 3В
5 В в 10 В
Преобразователь
однополярного опорного
напряжения 9 В в
двухполярное
± 4,096 В
4
Уравнения состояния
Fout = (Vin / Vref)*(Rref / Rin) / Trev
Vout = (Vref*Trev) / (Rref*Cint)
где
Fout
- выходная частота
Vin
- входное напряжение
Vref
- напряжение опоры
Cint
- ѐмкость конденсатора интегратора
Vout
- максимальная (@Vin=0) амплитуда пульсаций на выходе
интегратора
Trev
- длительность фазы возврата
Rin, Rref
- сопротивления резисторов входа и опорного источника
5
Режимы работы ПНЧ
• Опора: внутренняя 4.096В / внешняя 4.096В
• Режим чоппера: нормальный / стоп0 / стоп1
• Частота чоппера: Fclk/(256,128,64,32)
• Длительность импульса возврата: Tclk*(50,100,200,400)
• Коррекция нуля ОУ: внешний ток / внутренний ЦАП
• Потребление: нормальный / stand by
• Нормальный / scan mode
• Конденсатор интегратора: внешний / внутренний
6
Источники погрешности ПНЧ
• Смещение нуля ОУ интегратора
• Асимметрия помехи переключения чоппера
• Неидеальная скважность чоппера
• Асимметрия скоростей роста / спада выхода ОУ
• Конечное усиление ОУ
• Нелинейность и временная нестабильность конденсатора
• Временная неопределѐнность выходного сигнала, равная
Tclk
• Помехи от входной тактовой частоты
7
Топология кристалла
8
Структура измерителя ПНЧ
9
Ресурсы измерителя
• Программируемые источники – измерители (MSU)
• Прецизионный источник напряжения (PSU)
• Прецизионный компаратор (CMP)
• Инструментальный усилитель (IA)
• Прецизионный опорный источник (REF)
• Аналоговый коммутатор (SWA)
• Цифровой коммутатор (SWD)
• Релейный коммутатор (SWR)
• Счётчик-таймер (CT)
• Цифровые выходы (DOUT)
10
Прототип измерителя
11
Адаптер и микросхема ПНЧ
12
Параметры микросхемы ПНЧ
Наименование параметра,
единица измерения
Ток потребления по входам опорн.
напряжения,мА:
Ток потребления, мА
Ток потребления с внутренним источником
опорных напряжений, мА
Сопротивление аналогового входа, кОм
Выходная частота c Vin=0 без подстройки, Гц
- при fc = 4МГц, К=10Гц/мВ
- при fc = 8МГц, К=20Гц/мВ
Выходная частота c Vin=0 после подстройки, Гц
- при Fс= 4МГц, К=10Гц/мВ
- при Fс= 8МГц, К=20Гц/мВ
Коэффициент преобразования (тип.), Гц/мВ
- fc =8 МГц, Cint=330 пФ, С0=1, С1=1
- fc =4 МГц, Cint=560 пФ, С0=1, С1=1
- fc =2 МГц, Cint=560 пФ, С0=1, С1=1
Погрешность коэффициента преобразования при
входных напряжениях 8,192 В и опорных
напряжениях 4,096 В, % от полной шкалы
Нелинейность преобразования в диапазоне
входных напряжений 8,192 В при опорных
напряжениях 4,096 В, % от полной шкалы
Норма на 1316ПП1АУ
Темпеобозна ратура, ТЗ, Группа А Измерения Приме
чение о
не
не
не
не чание
С
менее более менее более
IREF -60…85
1,3
0,68 0,96
8
3,3
6,0
ICC1 25…85
1, 2
-60
12
3,7
6,8
5,4
9,8
ICC2 25…85
3
-60
5,5
11,2
RIN -60…85
60
140
63,0
72,2
6
fO_4 -60…85
fO_8
-10
-
10
-
-0,06
-0,3
0,15
0,9
1
fOO_4 -60…85
fOO_8
-0,5
-
0,5
-
К
19,97 – 20,05
9,98 – 10,03
4,99 – 5,02
20
10
5
-60…85
1, 5
EFST, -60…85
EFSB
-1,0
1,0
-0,28
0,24
1
ELT, -60…85
ELB
-0,1
0,1
-0,024 0,024
1
Примечание: статистика по парии предъявления 172 шт.
13
Справочные параметры м/сх. 1316ПП1АУ
Тип. Темп.
Наименование параметра, единица измерения, режим измерения
Обознаение знач.
ср., С
Токи потребления в выключенном режиме при nStby=0, nStbyRef=0, мкА
ICC3
20
25
Усредн. коэффициент влияния напряжений питания на Vref, мВ/В
UREF / UCC 0,5 -60…85
Усредн. темп. коэффициент напряжений (ТКН) Vref, ppm/ C
-35 -60…25
UREF / T +10
25…85
о
Усредн. темп. коэффициент нелинейности, ppm/ С
EL / T
0,3 -60…85
Усредн. темп. коэффициент EFS, ppm/ оС
EFS / T
4,0 -60…85
Усредн. темп. коэффициент fo_4 при fC=4 МГц (К=10 Гц/мВ) Гц /оС
fo_4 / T 0,001 -60…85
Усредн. темп. коэффициент fo_8 при fC=8 МГц (К=20 Гц/мВ) Гц /оС
fo_8 / T 0,008 -60…85
Усредн. коэффициент влияния напряжений питания на нелинейность,
EL / UCC
10 -60…85
ppm/В
Усредн. коэффициент влияния напряжений питания на EFS, ppm/В
EFS/ UCC 200 -60…85
Усредн. коэффициент влияния напряжений питания на fo_4 при fC=4МГц,
fo_4/ UCC 0,18 -60…85
Гц/В
Усредн. коэффициент влияния напряжений питания на fo_8 при fC=8МГц,
fo_8 / UCC 1,0 -60…85
Гц/В
Усредн. дрейф Vref за 1000 часов при Тср=85 С, мВ
τ(UREF)
0,3 -60…85
Усредн. дрейф EFS за 1000 часов при Тср=85 С, %
τ(EFS)
0,08* -60…85
Усредн. дрейф нелинейности за 1000 часов при Тср=85 С, %
τ(EL)
0,003* -60…85
Усредн. дрейф fo_4 при fC=4МГц (К=10Гц/мВ) за 1000 часов при
τ(fo_4)
0,03* -60…85
Тср=85 С, Гц
Усредн. дрейф fo_8 при fC=8МГц (К=20Гц/мВ) за 1000 часов при
τ(fo_8)
0,16* -60…85
Тср=85 С, Гц
* Максимальные и средние по выборке значения указанных параметров после наработки уменьшаются
14
Сравнение параметров ПНЧ 1316ПП1АУ
и аналогов фирмы Analog Devices
Параметр
Температурный диапазон, ºС
Напряжение питания, В
Потребляемая мощность, мВт
Напряжение внутренней опоры Vref, В
Погрешность Vref при 27 ºС, мВ
Температурный дрейф Vref, ppm/ºС
Диапазон входного напряжения, В
Тип конденсатор интегратора
Входная тактовая частота (fc), МГц
Коэффициент преобразования (K), Гц/мВ
Макс. выходная частота (Fout), кГц
Смещение нуля,
- макс.
мВ
- тип.
Темп. дрейф смещения,
- макс.
мкВ/ºС
- тип.
Ошибка шкалы, % п. шк.
- макс.
Темп. дрейф ошибки шкалы,
- макс.
ppm/ºС
- тип.
Интегральная нелинейность,
- макс.
% п. шк.
- тип.
Абс. некорректируемая ошибка
- макс.
в диап. темп., % п. шк
- тип.
Динамический диапазон, бит
- мин.
- униполярный вход (Foutmax / Foutmin) - тип.
Динамический диапазон, бит
- мин.
- биполярный вход (2*Foutmax / Foutmin) - тип.
1316ПП1АУ
AD650В AD652B AD7741
-60 - 85
-25 - 85 -40 - 85 -40 - 85
5
15
15
5
120
240
450
40
4,096
нет
5,0
2,5
20
50
100
30 тип
50
50 тип
9
5
5
0 … 2,5
внутренний и (или)
внешн. внешн. внутр.
внешний
4
4
8
нет
0,2
0,2 - 3
5
10
20
10
20
32 - 480
45
90
180
100
100
0,4 fc
0,02** 0,06**
4*
2*
40
< 0,01 0,01** 0,04**
0,2** 0,6**
30
< 0,1 0,1** 0,4**
10
30
0,15* 0,2*
0,3*
5*
0,5*
1,6
12
24**
150
1,4
2,4
4**
15
16
0,01 0,024** 0,02
0,005 0,012-0,024
< 0,005 0,005 0,012**
0,1
0,2**
0,94
0,012
0,02 0,035**
0,10
0,17
18,8** 17,2**
> 20,0 19,8** 17,8**
10,4
19,8** 18,2**
12,4
> 21,0 20,8** 18,8**
14,0
* Возможна подстройка параметра внешними резисторами
** Среднее по измерениям 172 м/сх.
15
Пути повышения точности и функциональности ПНЧ
Уменьшение напряжений питания с 5 до 2.5 В позволит:
• увеличить максимальную выходную частоту до 1 МГц
• уменьшить нестабильность выходной частоты с Vin=0 до уровня < 0.1 Гц
• увеличить динамический диапазон до 23 – 24 двоичных разрядов
Повышение временной и температурной стабильности внутреннего
опорного источника обеспечит уменьшение абсолютной погрешности
преобразования с внутренним опорным источником
Возможна интеграция в одном кристалле до 4-х ПНЧ (преобразование по
3 – координатам и термо-датчик) с мультиплексированным или
последовательным выводом цифровой информации
16