Treiberverstärker SAR-Wandler richtig treiben

Welcher Verstärker eignet sich am besten dafür, einen bestimmten A/D-Wandler zu treiben? Wie bei vielen anderen Fragen im Leben ist auch hier die Antwort: Das hängt davon ab. Die Wandlerarchitektur, Auflösung und Signalbandbreite sowie weitere Details der Anwendung spielen alle eine Rolle.

SAR-A/D-Wandler (Successive Approximation Register) gelten als die Arbeitspferde in der Welt der Analog/Digital-Wandler. Ganz allgemein liegen sie in der Mitte zwischen langsamen Delta-Sigma-Wandlern mit hoher Auflösung und schnellen Pipeline-Wandlern mit geringer Auflösung. Da sie keine Latenz aufweisen, sind SAR-A/D-Wandler üblicherweise die bessere Wahl als die beiden anderen Architekturen in Applikationen mit gemultiplexten Signalen, in Anwendungen, die eine exakte erste Wandlung nach einer beliebig langen Ruheperiode (wie bei automatischen Testsystemen, ATE), und in Applikationen, in denen sich der A/D-Wandler in einer Schleife befindet, die eine schnelle Rückkopplung benötigt.

In den meisten Fällen kann der Ausgang des Sensors nicht direkt mit den Eingängen eines SAR-A/D-Wandlers verbunden werden. Dazu ist ein Verstärker nötig, um die besten Eigenschaften bezüglich Wandlung und Verzerrung zu erreichen. SAR-Bausteine tasten ihre Eingänge über interne Kondensatoren ab und vergleichen die Werte mit Referenzspannungen in einer aufeinanderfolgenden, binär gewichteten Sequenz (sukzessive Approximation). Wenn sich der Schalter für die Abtastkondensatoren schließt, fließt Ladung in den Eingangsknoten und in den Abtastkondensator (Bild 1).

Um diesen Ladungsfluss auszugleichen, wird ein einfaches einpoliges RC-Filter zwischen den Verstärker und den A/D-Wandler platziert. Zusätzlich filtert es auch das hochfrequente Rauschen und Aliasing-Produkte. Dabei muss der Anwender aber Sorgfalt aufwenden, wenn er die Grenzfrequenz dieses Filters wählt. Sie sollte auf eine Frequenz eingestellt werden, die klein genug ist, diesen Ladungsfluss und das Filterrauschen effektiv zu absorbieren, gleichzeitig aber auch hoch genug, damit der Verstärker innerhalb der Datenerfassungszeit des A/D-Wandlers einschwingen kann. Da dieses Filter alleine nicht ausreicht, das Rauschen zu begrenzen, wird üblicherweise noch ein Filter mit kleinerer Grenzfrequenz am Eingang des Verstärkers angeordnet (siehe Bild 2).

Differenzielle Eingänge treiben

Viele SAR-A/D-Wandler höchster Leistung verwenden differenzielle Eingänge, um ihren Dynamikbereich bei einer Low-Power-Versorgungsspannung zu maximieren. Ein Beispiel dafür ist der »LTC2379-18« von Linear Technology, der mit 2,5 V 
Versorgungsspannung und bis zu 5 V Referenzspannung arbeitet, um einen differenziellen Eingangsspannungsbereich von 10 V Spitze zu Spitze zu realisieren. Wenn das Eingangssignal bereits differenziell ist, kann ein rauscharmer, schnell einschwingender Zweifach-Operationsverstärker alles sein, was man benötigt, um das Signal zu puffern und den A/D-Wandler zu treiben (Bild 2). Konfiguriert als Pufferverstärker mit Verstärkung 1, liefern diese Verstärker für das eintreffende Signal Eingänge mit hoher Impedanz.

In vielen Fällen ist der Eingang unsymmetrisch und muss in ein differenzielles Signal konvertiert werden. Dies kann einfach mit einem Verstärker wie dem »LTC6350« von Linear Technology erzielt werden.

Diese Art Verstärker besitzt zwei Stufen: Die erste erzeugt eine gepufferte, nicht-invertierte Version des Eingangssignals und die zweite generiert einen invertierten Ausgang.

Wenn das Eingangssignal bereits in den Eingangsbereich des A/D-Wandlers fällt, dann kann man diesen Verstärker als Pufferverstärker mit hoher Impedanz verwenden (Bild 3). Muss das Signal skaliert und verschoben werden, um in den Eingangsbereich des A/D-Wandlers zu passen, eignet sich die Schaltung aus Bild 4. In diesem Beispiel wird ein unsymmetrisches ±10-V-Signal auf ein differenzielles 0- bis 5-V-Signal konvertiert (R2 und R3 verschieben das Signal, RIN und R1 skalieren es).