用于10位至16位旋变数字转换器的集成高电流驱动器

电路功能与优势

图1所示电路是一款高性能旋变数字转换器(RDC)电路，可在汽车、航空电子和关键工业等要求宽温度范围内具有高稳定性的应用中精确测量角度位置和速度。高电流驱动器AD8397可将310 mA电流驱动到32 Ω负载，从而无需分立式推挽缓冲器解决方案。

RDC常被用于汽车和工业市场，用来提供电机轴位置和/或速度反馈信息。

图1. 采用AD8397的高电流缓冲器支持AD2S1210 RDC激励信号输出（原理示意图，未显示去耦和所有连接） 

电路描述

AD2S1210是一款完整的10位至16位分辨率跟踪RDC，片内集成可编程正弦波振荡器，为旋变器提供激励。由于工作环境恶劣，AD2S1210（C级和D级）的额定温度范围为-40°C至+125°C的扩展工业温度范围。

图1所示的高电流驱动器采用双通道运算放大器AD8397，用来放大AD2S1210参考振荡器激励输出并进行电平转换，从而优化与旋变器的接口。另外一路互补激励驱动电路与图1类似，从而提供一个全差分信号来驱动旋变器初级绕组。AD8397是一款低失真、高输出电流和宽输出动态范围放大器，非常适合与旋变器一同使用。AD8397能将310 mA电流驱动到32 Ω负载，以便为旋变器提供所需的功率，而无需使用传统的分立式推挽输出级。传统推挽电路需要额外的元件，与之相比，本文提供的方案可简化驱动器电路，而且功耗更低。AD8397采用8引脚窄体SOIC封装，额定温度范围为-40°C至+85°C工业温度范围。

RDC利用正弦信号来确定受正弦波参考信号激励的旋变器的角度位置和/或速度。 初级绕组上的旋变器激励参考信号被转换为两个正弦差分输出信号：正弦和余弦。 正弦和余弦信号的幅度取决于实际的旋变器位置、旋变器转换比和激励信号幅度。

RDC同步采样两个输入信号，以便向数字引擎（即所谓Type II跟踪环路）提供数字化数据。 Type II跟踪环路负责计算位置和速度。 典型应用电路如图2所示。

由于旋变器的输入信号要求，激励缓冲器必须提供高达200 mA的单端电流。 图1所示的缓冲电路不仅提供电流驱动能力，而且还提供AD2S1210激励输出信号的增益。

典型旋变器的输入电阻在100 Ω至200 Ω之间，初级线圈必须利用7 V rms的电压激励。

AD2S1210的额定频率范围为2 kHz至20 kHz。该转换器支持3.15 V p-p ±27%范围的输入信号。 采用Type II跟踪环路跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入信息转换为输入角度和速度所对应的数字。 该器件的额定最大跟踪速率为3125 rps。

在16位分辨率时，位置输出的精度误差最大值为±5.3弧分。

AD2S1210采用5 V电源供电，用作输出缓冲电路的AD8397要求12 V电源，以便向旋变器提供所需的差分信号幅度。

图1显示了AD2S1210和配置为差分驱动器的AD8397的原理图。AD8397一个极具吸引力的特性是，驱动高负载时，其输出能够提供高线性输出电流。例如，驱动32 Ω负载时，输出电流最高可达310 mA，同时保持-80 dBc的无杂散动态范围(SFDR)。由于其高输出电流，AD8397能够为旋变器提供所需的功率，而无需使用分立式推挽电路。

图2. AD2S1210 RDC典型应用电路 

图3. 分立式推挽驱动器电路 

对于100 Ω至200 Ω输入电阻，驱动旋变器所需的电流为200 mA。 图3所示的分立方案提供一个推挽输出级，这不仅会增加驱动器电路的成本，而且即使没有信号存在时，也会产生少量静态功耗。

图1中的缓冲级可降低功耗并减少元件数，同时实现像推挽电路一样的驱动能力。

AD2S1210的激励输出通常在EXC和EXC输出端提供3.6 V p-p正弦信号，由此产生一个7.2 V p-p差分信号。

汽车旋变器的典型变换比为0.286。因此，如果将一个单位增益缓冲器配合AD2S1210使用，则旋变器输出的幅度约为差分2 V p-p。 这种信号的幅度不足以满足AD2S1210的输入幅度要求。 理想情况下，正弦和余弦输入具有差分3.15 V p-p的幅度，因此AD8397必须提供约1.5倍的增益。

图1所示激励缓冲器的增益通过电阻R1和R2设置。在电路测试期间，R1和R2电阻的值分别为10 kΩ和15.4 kΩ，对应的增益为1.54。

EVAL-AD2S1210SDZ评估板上有跳线选项，可将R2更改为8.66 kΩ，此时提供的增益为0.866。对于转换比为0.5的旋变器，这种增益设置为正弦和余弦输入提供3.12 V p-p差分幅度信号。

电阻R3和R4将放大器的共模电压设置为VCM (2) = 3.75 V。激励输出的共模电压为VCM (1) = 2.5 V（中间电源电压），相当于缓冲器输出共模电压约为VCM (OUT) = 5.7 V（12 V电源的大约一半）。

由于所选的拓扑结构可以采用单电源供电，因此针对缓冲器选择的运算放大器也必须能够采用单供电轨供电。AD8397采用12 V单电源供电，提供轨到轨输出，因而是理想的选择。