AD7740電壓頻率轉(zhuǎn)換

1、3V/5V低功耗同步電壓頻率變換芯片AD7740電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC （Voltage Frequency Converter ）是另一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換 功能的器件， 將模擬電壓量變換為脈沖信號， 該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓 的大小成正比發(fā)布日期:2006-01-02作者:許柯秦建軍張厚來源:國外電子元器件pq3 BUFsufEAD774OZJraurfoutESJlCJSVM-咖回L_JJJVISi2 AD7740的遼堆戰(zhàn)圖一種圖L島ET74D2 AD7740的遼堆戰(zhàn)圖一種圖L島ET74D苗仲時鍛的代畀宦丈陽tJflW 箱DT-23)(LEDUTE tucisH wd(E 旺Fl對芮TH-

2、AD7740 是CMOS 型低片，它具有功耗單通道單終端同步電壓頻率轉(zhuǎn)換芯 緩沖和非緩沖兩種模式。工作范圍寬，對外部元件要求小，輸出頻率準確，無須調(diào)整或校準?？蓮V 泛用于各種A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并可以和AD22100S溫度傳感器構(gòu)成數(shù)字式環(huán)境溫度指示器等電路。文 中介紹了 AD7740的結(jié)構(gòu)、特點、功能、原理和幾種典型的應用電路。片，它具有1 概述AD7740是一種低成本的超小型同步電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片（VFC），該芯片的工作電壓范圍是3.03.6 或者4.755.25V；工作電流為0.9mA。AD7740有8腳SOT-23和8腳小型SOIC兩種封裝形式。體 積小、成本低和易于使用是該芯片的主要設(shè)計思

3、想。該芯片還在內(nèi)部集成有2.5V帶隙基準，用戶也 可使用外部基準，其外部基準最大力 VDD。AD7740 芯片的輸出頻率和 CLKIN 時鐘信號同步。時鐘信號可由附加的外部晶體振蕩器（或諧振器） 產(chǎn)生，也可由CMOS兼容的時鐘信號源提供。AD7740的滿刻度輸入頻率為1MHz。當模擬信號由0V到VREF變化時，AD7740的輸出頻率可在10%-90%fCLKIN之間變化。在緩沖模 式下，該芯片的輸入阻抗非常高。此時其VIN腳的輸入電壓為0.1VVDD-0.2V。在非緩沖模式下, VIN腳的輸入電壓允許值為-0.15VDD+0.15V。兩種模式可通過BUF腳相互轉(zhuǎn)換。AD7740 （Y等級）的工

4、作溫度范圍是-40+105C。AD7740 （K等級）的工作溫度范圍是085C。 另外， AD7740 還有如下特點：內(nèi)含單通道單終端兩步電壓頻率轉(zhuǎn)換器；FOITT MAS0- tOrCLEEEWT采用FOITT MAS0- tOrCLEEEWT采用8腳SOT-23和8腳小型SOIC兩種封裝；內(nèi)含2.5V基準電壓；REFIN端的電壓基準額定范圍是2.5VVDD；ES3非塊沖的險數(shù)英靈 最大輸入頻率為 1MHz具有可選非緩沖輸入和高阻抗緩沖輸入； 在非緩沖模式下，AD7740的工作電壓是3.03.6V或者4.755.25V,工作電流是0.9mA，最低功 耗為3mW （典型值）；雙極工作時，模擬輸

5、入可以降低到-150mV以下；對外部元件要求較小，不需要外接電阻電容來設(shè)置輸出頻率，滿刻度輸出頻率由一個晶體或者時鐘 來決定，也不需要調(diào)整和校準；具有自動斷電功能；無須電荷泵即可實現(xiàn)真正的-150mV能力。引腳功能圖1是AD7740的管腳排列，表1為AD7740的管腳功能說明（以8腳小型SOIC封裝為例）。表 1 AD7740 管腳功能說明功 能在該管腳和CLKIN之間接入晶體/諧振器。當外部時鐘驅(qū)動CLKIN腳時，該腳產(chǎn)生一個反向的時鐘信號，該信號首先經(jīng)緩沖后可用來驅(qū)動其它電路。芯片主時時鐘信號可以由接在此腳與CLKOUT之間的晶體產(chǎn)生。也可由一個外部CMOS兼容時鐘提供。如果CLKIN腳閑

6、置1ms，AD7740將自動關(guān)閉。為所有電路提供基準地電壓基準。這是輸入VFC核心的電壓基準，并且定義了 VFC的范圍。如果該管腳沒連接，片內(nèi)基準電壓為2.5V。也可選擇精確的部基準來替代內(nèi)部電壓基準。內(nèi)部電壓基準的輸出阻抗很咼，目的是允許超咼激勵。VFC的模擬輸入，其額定輸入范圍0VVREF,這決定了輸出頻率范圍為10%90%fCLKIN。該管腳有150mV的電壓范圍。如果在緩沖模式下，不管外部是否有激勵，實際上該管腳都沒有電流電壓輸入端。該部分可以工作在3.03.6或者4.755.25V。在輸入端GND之間需要接一只10武和一只0.1嚇的去耦電容頻率輸出端，F(xiàn)OUT輸出頻率隨VIN在10%

7、90%fCLKIN內(nèi)變化訛 jmjuuuuuuLutniuuuuuiiuinnniL* JMUUULJULJLOLJIJL趣晉nn_:_nn_n n , n n n n nIeoiikIttiir-田4 AO774Q母席抽出適昭緩沖模式選擇端。當BUF為低電平，VIN輸入沒有緩沖，VIN電壓范圍-0.15VDD+0.15V。當BUF為高電時，VIN被緩沖，VIN電壓范圍限制在0.1VVDD-0.2V功能原理AD7740是一種采用了電荷平衡轉(zhuǎn)換技術(shù)的CMOS型同步電壓頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)。輸入電壓信號 通過一個專用的前端擬調(diào)制器轉(zhuǎn)換成一組輸出脈沖串。AD7740采用單電源工作，電壓為3.3V或5

8、V。圖2所示是它的邏輯框圖。輸入放大緩沖和電壓范圍通過設(shè)備BUF=1可使模擬輸入VIN工作于緩沖模式，在緩沖模式下，VIN具有高阻抗特性，典型值 為100MQ,該特性使得AD7740芯片能承受高阻抗輸入，VIN腳的電壓范圍為0.1VVDD-0.2V。 通過設(shè)置BUF=0可使AD7740在輸入端回路輸入一個低于GND的模擬信號，其范圍為-0.15 VDD+0.15V，在該模式下，AD7740的輸入阻抗典型值為50kQ。AD7740 的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系為：fOUT=0.1fCLKIN+0.8(VIN/VREF)fCLKIN圖 3 是非緩沖模式下的函數(shù)關(guān)系曲線：VFC調(diào)制器AD7740的模擬輸入信號經(jīng)過

9、一個開關(guān)電容調(diào)制器進行連續(xù)采樣，其采樣頻率可通過設(shè)置主時鐘頻率 來調(diào)節(jié)。輸入信號可以通過片內(nèi)緩沖器緩沖后再輸入調(diào)制器采樣電容。這樣可使采樣電容的充電電 流與模擬輸入隔離。該系統(tǒng)是一負反饋回路，它通過平衡輸入電壓輸入的電荷與VREF輸入的電荷來保證積分器電容上 的凈電荷為 0。表現(xiàn)模擬輸入電壓的數(shù)字信息被包含在比較器輸出的脈沖串的工作周期內(nèi)。而輸出脈沖串的頻率取 決于模擬輸入信號。若為滿刻度輸入，則輸出頻率為0.9fCLKIN,而零刻度輸入則為0.1fCLKIN。 這樣，輸出信號可簡單方便地和光耦合器相連。FOUT的脈沖寬度由CLKIN信號的高電平延續(xù)時間 來確定，其典型值為35ns。圖4為輸出

10、頻率的波形圖。7VFH1-vbPWTAd rEk-1miT nnn 阿5VT 嘗知 I 計就:=AD7740內(nèi)有一設(shè)定調(diào)節(jié)時間以適應 匚r輸入電壓的變化，需要說明的是：在 用訶含有有效數(shù)據(jù)的信號到來之前，該調(diào)5V“節(jié)必須結(jié)束。調(diào)節(jié)時間通常為2個CLKIN 周期。3.3 時鐘與異步VFC不同的是，AD7740依靠外部電容的穩(wěn)定性來設(shè)定它的滿刻度頻率，而通過外部時鐘來 確定其滿刻度輸出頻率。這一特性使AD7740具有更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計者可根據(jù)所選外部時鐘 來測定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和誤差。AD7740的主時鐘輸入（CLKIN腳）可由外部CMOS兼容的時鐘信號輸入（CLKOUT不需要）。在頻率大于50k

11、Hz時，可在CLKIN和CLKOUT之間接一晶體諧振器。在CLKIN和CLKOUT之間連接晶體諧振器來產(chǎn)生時鐘時，AD7740的VDD拉電流比使用CLKIN 腳的驅(qū)動時鐘信號時要大。這是因為在使用晶體或諧振器時片內(nèi)晶體是激活的。片內(nèi)晶振有一初始化時間，在VDD=5V時，典型值為10ms； VDD=3.3V時，典型值為15ms（均接 1MHz 晶體）。AD7740主時鐘信號會在CLKOUT腳反向，推薦使用CMOS負載。如果使用晶振來產(chǎn)生AD7740時 鐘信號，用戶可能希望它能作為整個系統(tǒng)的時鐘，在這種應用下最好讓CLKOUT信號經(jīng)過CMOS 緩沖器緩沖后再送到電路的其它部分。3.4 輸入基準AD

12、7740所執(zhí)行的轉(zhuǎn)換取決于所應用的參考電壓基準。該基準可以在REFIN/OUT懸空時的內(nèi)部2.5V 帶隙基準或者外部時鐘。在選用一個外部基準時應該考慮其驅(qū)動能力、初始誤差、噪聲和漂移等特 性。AD780和REF192是比較合適的選擇。對于輻射性可測量信號源，最好使用內(nèi)部時鐘。當信號源隨時間、溫度、負載等因素發(fā)生變化時 也應采用內(nèi)部時鐘以消除誤差。3.5 省電狀態(tài)當CLKIN管腳閑置時間超過1ms （典型值）時，AD7740自動進入省電狀態(tài)。在省電狀態(tài)下，大部 分數(shù)字/模擬電路關(guān)閉,REOUT懸浮,FOUT呈高電平，此時功率消耗僅為525rW（5V）或360rW（3.3V）典型應用圖5給出了 A

13、D7740在非緩沖模式下的基本接線圖。5V電源作為AD7740的基準，石英晶振用于給 芯片提供時鐘信號。為確保晶體在超過其基本諧振頻率時不振蕩，需要在晶振上連接電容C1和C2。4.1 A/D 轉(zhuǎn)換在 A/D 轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)中， AD774 0 的典 型應用 是給FOUT的輸出脈沖計數(shù)和形成固定時間間隔。如圖4所示。這個固定閘門周期可通過對輸入信 號頻率分頻產(chǎn)生。在這個應用中，關(guān)鍵是FOUT頻率同時釧信號的比值，而不是FOUT的絕對頻率。 分頻作用是通過二進制計數(shù)器實現(xiàn)的， CLKIN 為計數(shù)脈沖。圖7給出了 CLKIN、FOUT和門信號的波形。在門信號的高電平的期內(nèi)，計數(shù)脈沖對FOUT的上升 沿進

14、行計數(shù)。由于門周期與FOUT不同步，所以計數(shù)有可能不準確。因此，依靠FOUT計數(shù)可能會 產(chǎn)生計數(shù)誤差。因為TGTAEFOUTMAX=滿刻度計數(shù)總數(shù)，所以對于已給定分辨率的DAC的最快轉(zhuǎn)換速率可以用 CLKIN 的最高頻率來衡量。如果輸出頻率通過由時鐘信號得來的門脈沖計數(shù)來測定，那么時鐘的穩(wěn)定性并不重要， AD7740 僅起 一個電壓頻率轉(zhuǎn)換驅(qū)動器的作用。由于固有的單調(diào)轉(zhuǎn)換能力和輸入時鐘頻率的寬帶性，從而使 AD7740 在特殊應用時具有較好的轉(zhuǎn)換時間和分辨率。門周期是需要考慮的另一個重要參數(shù)。因為VFC的積分周期等于門周期，所以全體干擾信號均可通 過計算干擾信號周期的整數(shù)數(shù)目來排除。例如，門周

15、期為100ms,則會以正常的方式抑制50Hz和60Hz 的干擾信號。隔離電路AD7740也可用于隔離模擬信號。由于噪聲、安全性要求或距離因素，有時必須將AD7740和任何其 它控制回路隔離，這利用光隔離器可很簡單實現(xiàn)。但在AD7740和其它設(shè)備之間加接地環(huán)路是非常 必要的。通過 VFC 可將傳輸?shù)哪M電壓信號轉(zhuǎn)換成一脈沖串，然后光隔離器再以光為連接媒質(zhì)將脈沖串耦合 并穿過一隔離勢壘。隔離器的輸入發(fā)光二極管(LED)由AD7740的輸出來驅(qū)動，在接收端，輸出 晶體三極管工作于光電三極管模式。脈沖串可再由電壓頻率轉(zhuǎn)換器還原成模擬電壓，也可以送入計 數(shù)器以產(chǎn)生數(shù)字信號。AD7740的模擬和數(shù)字部分允

16、許單終端電源操作，這樣可簡化和電源的隔離。圖8所示是使用低成本光隔離器組成的VFC隔離電路5V電源可同時作為隔離器(Vm)和本地(Vcc) 電源。溫度傳感器AD7740可以和AD22100S溫度傳感器構(gòu)成數(shù)字式環(huán)境溫度指示器。AD22100S的輸出電壓和溫度 成比例。該芯征的電源電壓為5V，輸出電壓在0.25V4.75V之間，對應的溫度范圍是-50C+150C。 將該輸出電壓輸入AD7740后，可將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖串，具體電路如圖9所示。這是一個極其經(jīng)濟的解決方案，如將5V電源同時作為VFC和AD22100S的基準電壓，則外部精確的基準就可省略。4.4 供電旁路和接地電路在準確度要求比較高

17、的電路中，應仔細考慮供電電路和接地回路的布線，這樣有助于保證標定的性能。在固定AD7740的印刷板電路設(shè)計中，應使模擬和數(shù)字部分分離并限定在一定范圍內(nèi)。為將 模擬數(shù)字部分之間的耦合電容降到最低，模擬地和數(shù)字地應在接近 AD7740 的一點接地，而不應重疊。另外，還應避免在芯片下走數(shù)字線，以免將噪聲耦合到芯片 上。模擬地應布置在 AD7740 下，這樣可以避免噪聲耦合。電源供電電路應采用較寬的布線，以降 低電路阻抗和低頻干擾的影響。對于快速變化的信號，如時鐘信號，應使用數(shù)字地屏蔽來避免輻射 噪聲耦合到電路的其它部分，并且時鐘信號絕對不應靠近模擬輸入部分的布線，以避免數(shù)字信號和 模擬信號的交疊。最好采用微帶技術(shù)，接