Rauscharme Pufferverstärker für A/D-Wandler bis 24 bit

Mit der neuen differenziellen Rail-to-Rail-Pufferverstärker-Serie THS452x von Texas Instruments können die Anwender die Genauigkeit von A/D-Wandlern steigern und gleichzeitig die Energieaufnahme senken.

Mit einem Rauschen von 4,6 nV/Hz1/2 und einer Stromaufnahme von 1,15 mA pro Kanal lassen sich hoch genaue, hochauflösende Systeme für die Gleichspannungsaufnahme auf kleiner Fläche realisieren. Mit den OPVs zielt TI auf den Einsatz in Druck- und Durchflussmessgeräten, in Geräten für seismische Messungen und in EKG-Geräten ab. Im Betrieb mit einer einzigen Spannung arbeiten sie an 3 V bis 5 V, mit zwei Spannungsversorgungen zwischen ±1,5 bis ± 2,5 V.

Bisher gab es zwei Möglichkeiten, um A/D-Wandler vom Delta-Sigma- und SAR-Typ so anzusteuern, dass das System einen breiten Dynamikbereich trotz limitierten Power-Budgets erreicht: Werden Single-Ended-Verstärker verwendet, so sind mindestens zwei von ihnen erforderlich. Das führt zu komplexen Schaltungen. Insbesondere die Anpassung der unipolaren OPVs bereitet in diesem Ansatz Schwierigkeiten. Zudem bedeutet hohe Komplexität auch immer hohe Kosten.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, High-Power-Differenzverstärker einzusetzen. Mit mehr als 10 mA Stromaufnahme pro Kanal eignen sich solche Verstärker aber nicht für den Einsatz in Geräten, die mit einer geringen Energieaufnahme auskommen müssen. Die Herausforderung besteht also darin, ein möglichst geringes Rauschen zu erzeugen, denn in DC-Anwendungen spielt das 1/f-Rauschen eine große Rolle.

Die neuen OPVs vom Typ THS4521, die TI in ihrem BiCOM-III-Prozess in Freising fertigt, erreichen ein Eingangsspannungsrauschen von 4,6 nV/Hz1/2. Damit ist das Rauschen auch bei niedrigen Bandbreiten (10 Hz, das Spannungs-Bandbreiteprodukt sollte mindestens um den Faktor 10 höher liegen als die Abtastrate) so niedrig, dass die Systeme Gleichspannung mit einer bisher nicht gekannten Genauigkeit aufnehmen können. Dabei benötigen sie einen Ruhestrom von maximal 1,3 mA, typisch 1,15 mA pro Kanal, 50 Prozent weniger als vergleichbare OPVs. Im Power-Down-Mode gibt TI die Stromaufnahme mit 20 μA an, was um den Faktor 20 unter derzeit erhältlichen OPVs liegt.

»Weil die OPVs bisher einen relativ hohen Ruhestrom aufnahmen, konnte man sie wegen der hohen Wärmeentwicklung nicht in kleine Gehäuse setzen. Das ändert sich jetzt: Die Designer können nun kompakte Systeme entwerfen«, sagt Christoph Gromann, Product Marketing Manager Analog von TI.

Die Bandbreite ist mit 145 MHz um 30 Prozent höher. Mit der Slew-Rate von 490 V/μs kann der neue OPV auch SAR-Wandler mit hoher Auflösung treiben. Hier müssen die Kondensatoren der S&H-Einheit voll geladen sein, um das LSB darstellen zu können. Mit einem Pin kann der Entwickler das Ausgangssignal des ADC mittig zum Ausgangssignal des OPV ausrichten.
Weil TI die OPVs in Versionen mit einem, zwei und vier Signalen liefert, erhalten die Entwickler eine große Flexibilität. 

Eine weitere interessante Eigenschaft des THS4521: Die Gleichtaktsteuerung am Ausgang ermöglicht die einfache Gleichspannungskopplung, während ein negativer Rail-Eingang und der Rail-to-Rail-Ausgang das Design vereinfachen und die Entwicklungszeit verkürzen. Mit den THS452x-Bausteinen sind Kunden in der Lage, differenzielle ADCs, wie z.B. den 16-Bit-250-KSPS-SAR-Wandler ADS8317 und den 24-Bit-128-KSPS-Delta/Sigma-Wandler ADS1278, anzusteuern und dabei die in den zugehörigen Datenblättern spezifizierten Leistungswerte zu erreichen.

Setzt man beispielsweise den THS4521 zur Pufferung des ADS1278 ein, wird bei einem 10-kHz-Eingang ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 102 dB sowie ein störungsfreier Dynamikbereich (SFDR) von 110 dBc bei gleichzeitig sehr niedrigem Ruhestrom erzielt. Dadurch lässt sich der Stromverbrauch im System reduzieren. Der einkanalige THS-4521 sitzt wahlweise in einem SOIC-8 (4,9 x 3,9 x 6 mm) und in einem MSOP-8 (3 x 3 x 4,95 mm).

Den Zweifachtyp THS4522 hat TI in einem TSSOP-16 (5 x 4,4 x 6,4 mm), den Vierfachtyp THS4524 in einem TSOP-38 (9,7 x 4,4 x 6,4 mm) untergebracht. Die Preise gibt TI mit 1,10 Dollar für den einkanaligen Typ, mit 1,85 Dollar für die zweikanalige und mit 3,15 Dollar für die vierkanalige Version an.