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AD636是一種低功耗單片集成電路低電平信號的rms到dc轉換

時間:2019-10-11, 來源:互聯網, 文章類別:元器件知識庫

特征

真有效值到直流轉換;200毫伏滿標度;高精度激光修整;最大誤差0.5%(AD636K);最大誤差1.0%(AD636J);廣泛的響應能力:計算交直流信號的均方根值;1 MHz–3 dB帶寬:V rms>100 mV;0.5%誤差的信號峰值因子為6;50分貝范圍的分貝輸出;低功耗:800毫安靜態電流;單電源或雙電源操作;單片集成電路;低成本以芯片形式提供。

產品描述

AD636是一種低功耗單片集成電路低電平信號的rms到dc轉換。它提供性能比混合式和模塊式的有可比性或優越性的轉換器成本更高。AD636是為信號范圍為0 mV至200 mV rms。峰值因子高達6罐可容納小于0.5%的附加誤差,允許復雜輸入波形的精確測量。

AD636的低電源電流要求(通常為800微安)允許其在電池供電的便攜式設備中使用儀器。可以使用多種電源,從±2.5 V至±16.5 V或單個+5 V至+24 V電源。輸入輸出端完全保護;輸入信號可以在不損壞設備的情況下超過電源(允許在沒有電源電壓的情況下存在輸入信號)輸出緩沖放大器短路保護。

AD636包括輔助DB輸出。這個信號是從表示rms輸出對數的內部電路點導出。0db參考電平由外部供電電流,可由用戶選擇對應于從0 dBm(774.6 mV)到–20 dBm(77.46毫伏)。頻率響應范圍為1.2兆赫在0 dBm電平下,在-50 dBm下超過10 kHz。AD636的設計便于使用。該設備在晶圓級進行工廠化修整,以獲得正的輸入和輸出偏移負波形對稱性(直流反向誤差),滿標度精度為200 mV rms。因此,不需要外飾來達到全部額定精度。AD636有兩種精度等級;AD636J總計讀數誤差為±0.5 mV±0.06%,AD636K

在讀數的±0.2 mV至±0.3%范圍內準確。兩個版本在0°C到+70°C的溫度范圍內規定,并且提供密封14針浸漬或10針引線到-100金屬罐。也有芯片。

產品亮點

1、AD636計算復雜AC(或AC+DC)輸入信號的真均方根,并給出等效的DC輸出電平。波形的真均方根值是比平均整流值更有用的量,因為它是信號功率的度量。交流耦合信號的均方根值也是其標準偏差。

2、AD636的200毫伏滿標度范圍與許多流行的面向顯示的模數轉換器兼容。低電源電流要求允許在電池供電的手持儀器中使用。

3、測量到完全指定精度所需的唯一外部元件是平均電容器。該電容器的值可根據低頻精度、紋波和穩定時間的要求進行選擇。

4、片上緩沖放大器可以用來緩沖輸入或輸出。作為輸入緩沖器,它提供了標準10 MΩ輸入衰減器的精確性能。作為輸出緩沖器,它可以提供高達5毫安的輸出電流。

5、AD636將在廣泛的電源電壓范圍內工作,包括單電源+5 V至+24 V或分電源±2.5 V至±16.5 V。一個標準的9V電池將提供幾百小時的連續運行。

標準連接

AD636對于大多數高精度均方根測量來說連接簡單,只需要一個外部電容器來設置平均時間常數。標準連接如圖1所示。在這種配置中,AD636將測量輸入端的交流和直流電平的均方根值,但將顯示低頻輸入的誤差,作為濾波電容器CAV的函數,如圖5所示。因此,如果使用4μf電容器,10赫茲時的附加平均誤差為0.1%,3赫茲時的附加平均誤差為1%。較高頻率下的精度應符合規范。如果需要拒絕直流輸入,則將電容器與輸入串聯,如圖3所示;電容器必須是非極性的。如果AD636由具有相當大高頻紋波的電源驅動,建議將兩個電源都繞過,以盡可能靠近設備的0.1μf陶瓷盤接地。cf是一個可選的輸出紋波濾波器,如本數據表其他部分所述。

AD636的應用

輸入和輸出信號范圍是規范中詳細說明的電源電壓的函數。AD636還可以通過斷開緩沖器的輸入在無緩沖電壓輸出模式下使用。然后,輸出在10 kΩ電阻器上顯示為無緩沖。緩沖放大器可用于其他用途。此外,通過將10 kΩ電阻器從接地上斷開,AD636可以在電流輸出模式下使用。輸出電流在引腳8(H封裝上的引腳10)處可用,標稱刻度為每伏特均方根輸入100微安,正極輸出。

高精度可選微調

如果需要提高AD636的精度,可以添加圖2所示的外飾。r4用于修剪偏移。比例因子使用r1進行修剪,如圖所示。r2的插入允許r1將比例因子增加或減少±1.5%。

修剪步驟如下:

1、將輸入信號、車輛識別號(vin)接地,并調整r4,使針腳6的輸出電壓為零。或者,可以調整r4,以給出具有最低期望值vin的正確輸出。

2、將所需的滿標度輸入電平連接至車輛識別號(車輛識別號),可以是直流信號,也可以是經校準的交流信號(1 kHz是最佳頻率);然后微調r1以給出來自引腳6的正確輸出,即200 mV直流輸入應給出200 mV直流輸出。當然,一個±200毫伏的峰間正弦波應該提供141.4毫伏的直流輸出。規范中給出的剩余誤差是由于非線性造成的。

單電源連接

圖1和圖2中的應用假定使用雙電源。如圖3所示,AD636也可僅與一個電壓低于+5伏的正極電源一起使用。圖3針對9伏電池進行了優化。此連接的主要限制是只能測量交流信號,因為輸入級必須偏離地面才能正常工作。這種偏壓是在引腳10處完成的;因此,沒有外來信號耦合到這一點上是至關重要的。偏置可以通過在+vs和接地之間使用電阻分壓器來實現。為了降低功耗,電阻值可以增加,因為只有1微安的電流流入引腳10(“H”封裝上的引腳2)。或者,一些cmos adc的com引腳為ad636提供合適的人工接地。如圖所示,交流輸入耦合僅需要電容器C2;由于內部提供直流回路,因此無需直流回路。選擇C2作為適當的低頻斷開點,輸入電阻為6.7 kΩ;對于10 Hz時的切斷,C2應為3.3μF。此連接中的信號范圍比雙電源連接中的信號范圍稍受限制。負載電阻rl是提供電流吸收能力所必需的。

選擇平均時間常數

AD636將計算交流和直流信號的均方根。如果輸入是緩慢變化的直流電壓,AD636的輸出將精確跟蹤輸入。在更高的頻率下,AD636的平均輸出將接近輸入信號的均方根值。如圖4所示,AD636的實際輸出將因直流(或平均)誤差和一定量的紋波而不同于理想輸出。

直流誤差取決于輸入信號的頻率和cav值。圖5可用于確定CAV的最小值,該最小值將使用標準均方根連接產生高于給定頻率的給定%直流誤差。

輸出信號的交流分量是紋波。有兩種方法可以減少波紋。第一種方法是使用一個很大的cav值。由于紋波與cav成反比,電容增加10倍會使紋波減少10倍。當測量具有高峰值因數的波形(如低占空比脈沖串)時,平均時間常數應至少為信號周期的10倍。例如,100赫茲的脈沖率需要100毫秒的時間常數,該常數對應于4μf電容器(時間常數=25毫秒/μf)。

標準rms連接

使用大型cav消除紋波的主要缺點是輸入電平階躍變化的穩定時間成比例地增加。圖5顯示了CAV和1%沉降時間之間的關系,對于每個CAV微法拉,沉降時間為115毫秒。對于減少信號和增加信號(圖5中的值用于減少信號)而言,穩定時間是前者的兩倍。如圖6所示,對于低信號電平,穩定時間也會增加。

降低輸出紋波的更好方法是使用“后濾波器”。圖7顯示了一個建議的電路。如果使用單極濾波器(去除C3,Rx短路),C2約為CAV值的5倍,則波紋減小,如圖8所示,且沉降時間增加。例如,當cav=1μf和c2=4.7μf時,60hz輸入的紋波從讀數的10%減少到約讀數的0.3%。但是,沉降時間增加了大約系數3。因此,可以降低cav和c2的值,以允許更快的沉降時間,同時仍然提供大幅的波紋減少。

雙極后濾波器使用有源濾波器級來提供更大的紋波降低,而不會大幅增加在帶有單極濾波器的電路上的穩定時間。然后,可以降低cav、c2和c3的值,以允許恒定波紋量的極快沉降時間。選擇CAV值時應謹慎,因為直流誤差取決于該值,并且與后濾波器無關。

rms-to-dc轉換應用指南,第2版,可獲得的:

均方根測量

AD636工作原理

AD636包含均方根方程的隱式解,克服了動態范圍以及直接計算均方根所固有的其他限制。AD636執行的實際計算遵循以下等式:

圖9是AD636的簡化示意圖;它被細分為四個主要部分:絕對值電路(有源整流器)、平方/分頻器、電流鏡和緩沖放大器。輸入電壓vin可以是ac或dc,由有源整流器a1、a2轉換為單極電流i1。I1驅動平方/除法器的一個輸入,該輸入具有傳輸功能:

平方器/分配器的輸出電流i4通過r1和外部連接的電容器cav形成的低通濾波器驅動電流鏡。如果r1,cav時間常數遠大于輸入信號的最長周期,則有效平均i4。當前鏡像返回一個等于avg[i4]的當前i3,返回到平方/除法器以完成隱式rms計算。因此:

電流鏡還產生輸出電流iout,等于2i4。iout可以直接使用,也可以用r2轉換成電壓,用a4緩沖,以提供低阻抗電壓輸出。因此,AD636的傳遞函數產生:

由于此時的電壓與–log vin成正比,因此db輸出來自q3的發射器。發射極跟隨器,q5,緩沖器和電平移動該電壓,使得當外部提供到q5的發射極電流(iref)接近i3時,db輸出電壓為零。

AD636緩沖放大器

AD636中的緩沖放大器為用戶提供了額外的應用靈活性。了解這種放大器的一些特性以獲得最佳性能是很重要的。圖10顯示了緩沖區的簡化示意圖。

由于rms-to-dc變換器的輸出總是正的,因此不必使用傳統的互補ab類輸出級。在AD636緩沖器中,改用A級發射器跟隨器。除了優良的正輸出電壓擺幅外,這種配置還允許輸出在單電源應用中完全向下擺幅至地,而不會出現與大多數集成運算放大器相關的問題。

用作輸入緩沖放大器,驅動與接地有關的負載電阻時,必須采取措施確保足夠的負電壓擺動。對于負輸出,電流將從負載電阻器流過40 kΩ發射極電阻器,在–vs和接地之間設置分壓器。這減少了一個外部電阻的有效添加,同時重新改變了這個分壓器,從而增加了負擺幅是可能的。

圖11顯示了一些rload值的vpeak與–vs的特定比率的rexternal值。此外,Rexternal使緩沖放大器的靜態電流增加相當于Rext/–vs.在–vs=–5v時,無Rexternal的標稱緩沖靜態電流為30微安。

頻率響應

AD636在執行隱式均方根計算時使用對數電路。與任何對數電路一樣,帶寬與信號電平成正比。下圖中的實線表示AD636在從1毫伏到1伏rms的輸入電平下的頻率響應。虛線表示1%、10%和±3db讀數附加誤差的頻率上限。例如,請注意,1伏rms信號將產生小于1%的讀數附加誤差,最高可達220千赫。10毫伏信號可在1%的讀數附加誤差(100微伏)下測量,最高可達14千赫。

交流測量精度和峰值因數

在確定交流測量的精度時,峰值因子常常被忽略。峰值因子是指峰值信號振幅與信號的均方根值之比(c.f.=vp/v均方根)。大多數常見波形,如正弦波和三角波,峰值因子相對較低(<2)。類似于低占空比脈沖序列的波形,如開關電源和可控硅電路中出現的波形,具有很高的峰值因數。例如,占空比為1%的矩形脈沖串的峰值因子為10(c.f.=1η)。

圖13是200 mV rms輸入信號的AD636的讀數誤差曲線,峰值因子為1至7。由于矩形脈沖串(脈沖寬度200μs)是均方根測量的最壞波形(所有能量都包含在峰值中),因此本試驗使用矩形脈沖串。占空比和峰值振幅在保持200 mV rms輸入振幅不變的情況下變化,以產生從1到7的峰值因子。

全交流數字電壓表

圖14顯示了一個完整的基于AD636的低功耗交流數字電壓表電路的設計。10 MΩ輸入衰減器允許滿標度范圍為200 mV、2 V、20 V和200 V rms。信號電容耦合到AD636緩沖放大器,該放大器以AC自舉配置連接以最小化負載。然后,緩沖器驅動AD636的6.7 kΩ輸入阻抗。ADC芯片的COM終端提供AD636單電源操作所需的假接地。AD589 1.2伏參考二極管用于在線性均方根模式下為ADC提供穩定的100毫伏參考電壓;在DB模式下,串聯插入1N4148二極管以提供對DB比例因數的溫度系數的校正。通過首先調整偏置罐r17以獲得正確的零讀數,然后調整r13以獲得滿刻度的精確讀數,來完成儀表的校準。

通過調整所需0db參考點的r9,然后調整所需db比例因子的r14(每db 10個計數的比例很方便),完成db范圍的校準。使用7106型ADC,該電路的總電源電流通常為2.8毫安。

一種低功耗、高輸入阻抗分貝表的研制

這里的便攜式分貝計電路結合了AD636 rms轉換器、AD589電壓基準和一個μA776低功率運算放大器的功能。這種電表提供卓越的帶寬和卓越的高、低電平精度,同時消耗標準9伏晶體管無線電電池的最小功率。

在該電路中,使用了AD636的內置緩沖放大器

電路說明

輸入電壓vin由c4交流耦合,而電阻器r8與二極管d1和d2一起提供高輸入電壓保護。

緩沖器的輸出引腳6通過電容器C2與均方根轉換器的輸入(引腳1)進行交流耦合。電阻器R9連接在緩沖器的輸出、A級輸出級和負輸出擺幅之間。電阻r1是放大器的“自舉”電阻。

使用此電路,通過在蓄電池正極和負極之間的一點設置“接地”,可以進行單電源操作。這是通過將250微安從蓄電池正極端子通過電阻器R2,然后通過1.2伏AD589帶隙基準,最后通過電阻器R10送回蓄電池負極來實現的。這將接地設置為1.2伏+3.18伏(250微安×12.7 kΩ)=蓄電池正極下4.4伏,蓄電池負極上5.0伏(250微安×20 kΩ)。旁路電容器C3和C5使電池的兩側保持低交流對地阻抗。AD589帶隙基準建立1.2伏調節基準電壓,與電阻器R3和微調電位器R4一起設置零分貝基準電流IREF。

校準

1、首先,通過在所需零分貝振幅下應用來自音頻振蕩器的1khzsine波來校準零分貝參考電平。這可能是從零dBm(770 mV rms–2.2伏p-p)到–20 dBm(77 mV rms 220 mV–p-p)的任何位置。調整IREF校準微調器,使其在模擬儀表上顯示為零。

2、最后一步是校準儀表標度因數或增益。在設置的零分貝基準下施加40分貝的輸入信號,并調整標度因數校準微調器,使其在模擬儀表上的讀數為40微安。

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