Analog-/Mixed-Signal-ICs
Beschaltung von schnellen Datenwandlern
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
„Continuous Time Sigma Delta“-Wandler (CTSD-Wandler)
Außerdem kann er gleichzeitig als Impedanzwandler dienen, um die Eingangsimpedanz von typisch 50 Ω auf die Impedanz des A/D-Wandlers von typisch einigen 100 Ω anzupassen. Um das beste Ergebnis aus der Schaltung zu bekommen, müssen einige Dinge beachtet werden:
- Der Operationsverstärker sollte die Last sehen, die im Datenblatt angegeben ist
- Der richtige Serienwiderstand muss zwischen Operationsverstärker und Last – in diesem Fall das AAF – eingesetzt werden, damit Spitzen im Durchlassbereich des Filters vermieden werden
- Der Eingang des A/D-Wandlers muss über den parallelen externen Widerstand angepasst werden; die Serienwiderstände dienen zur Reduzierung von Spannungsspitzen
Der Designprozess sollte wie folgt ablaufen:
- Der Widerstand zur Terminierung des A/D-Wandlers (RTADC) sollte so gewählt werden, dass die parallele Kombination aus RTADC und RADC zwischen 200 Ω und 400 Ω liegt.
- Der Widerstand RKB sollte an die Empfehlung des Datenblatts des A/D-Wandlers angepasst sein; typische Werte liegen zwischen 5 Ω und 36 Ω.
- Die Last des Filters ergibt sich aus ZAAFL = RTADC || (RADC + 2RKB)
- Die Wahl der Serienwiderstände des Operationsverstärkers sollte im folgenden Bereich liegen: Für eine Ausgangsimpedanz des Verstärkers von 100 Ω bis 200 Ω sollte RA etwa bei 10 Ω liegen; für eine deutlich kleinere Ausgangsimpedanz liegt RA typisch zwischen 5 Ω und 36 Ω.
- RTAMP sollte so gewählt werden, dass die Last, die der Verstärker sieht, im optimalen Bereich des Datenblattwertes liegt. Dazu wird folgende Formel benutzt: ZAL = 2RA + (ZAAFL || 2 RTAMP)
- Berechnung der Filter-Quellen-Impedanz ZAAFS = 2RTAMP || (Z0 + 2RA)
- Das Filter kann man nun mit Hilfe eines Filterberechnungs-Tool und den Daten von Quell- und Lastimpedanz ZAAFS und ZAAFL, Art des Filters, Bandbreite und Ordnung des Filters berechnen. Die Bandbreite sollte etwas (ca. 20–40 %) über der Hälfte der Wandelrate des A/D-Wandlers liegen, um einen flachen Verlauf der Kennlinie zwischen Gleichspannung und halber Wandelrate zu bekommen.
- Von dem errechneten Wert des Filter-Tool für die Kondensatoren CAAF2 sollte noch die interne Kapazität des A/D-Wandlers abgezogen werden.
Nach diesen Berechnungen können die Werte noch mit den folgenden Empfehlungen abgeglichen werden:
Um die Empfindlichkeit des Filters auf die Streuung der internen Kapazitäten des A/D-Wandlers zu minimieren, sollte der Wert für CAAF2 mindestens 10 pF betragen, damit er ein Vielfaches der internen Kapazität hat. Hier hilft ein Blick in das Datenblatt des A/D-Wandlers , um den richtigen Bereich auszuwählen.
Das Verhältnis von ZAAFL zu ZAAFS sollte nicht größer als 7 sein, da die Filterprogramme typisch in diesem Bereich rechnen können.
Der Wert für CAAF1 sollte mindestens 5 pF betragen, um den Einfluss der parasitären Kapazität der Leiterplatte und der Bauteiltoleranzen zu minimieren.
Der Wert der Spule LAAF sollte in einem vernünftigen Bereich liegen, mindestens einige nH.
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Bei den bisher behandelten Wandlern handelt es sich ausschließlich um Wandler mit einer Pipeline-Architektur und geschalteten Kondensatoren im Eingang. Neben diesen sehr weit verbreiteten Typen gibt es auch noch eine andere, eher weniger beachtete Technik, die CTSD-Wandler (Bild 5).
Im Gegensatz zu nicht gepufferten Wandlern, die eine hauptsächlich kapazitive Last darstellen, hat der CTSD-Wandler eine Eingangsstufe mit einer ohmschen Last. Diese Tatsache vereinfacht die externe Beschaltung, da verschiedene Baugruppen schon integriert sind.
An Bild 6 erkennt man, dass der CTSD-Wandler kontinuierlich arbeitet – er hat keine Umschaltung im Eingangskreis. Durch das Fehlen von Schaltern können die CTSD-Wandler mit höherer Taktfrequenz betrieben werden und haben einen geringeren Leistungsbedarf bei vergleichbarer Taktrate. Ein weiterer Vorteil ist der integrierte Anti-Aliasing Filter (Tiefpass). Dieser muss beim CTSD-Wandler nicht extern vorgesehen werden. Durch das typische Überabtasten, auch Oversampling genannt, in Größenordnungen von 32 oder mehr, sind die Anforderungen an das Filter nicht mehr so groß. Durch die hohe Taktrate, die um die Überabtastungsrate höher als die Datenrate am Ausgang des Wandler ist, werden die ungewünschten harmonischen Abbilder der Taktquelle in einen Bereich außerhalb des interessanten Analogbereiches verschoben.
Referenzspannung
Je höher die Auflösung eines Datenwandlers ist und je größer die gewünschte Genauigkeit sein soll, um so wichtiger ist eine stabile Referenzspannungsquelle. Um die richtige Quelle zu wählen, ist ein Blick in das Datenblatt nötig. Viele Wandler besitzen eine interne Referenzspannungsquelle, die schon die geforderte Genauigkeit mitbringt.
Kann oder möchte man die interne Referenz nicht nutzen, ist es wichtig, neben der richtigen Referenzspannungsquelle auch den richtigen Operationsverstärker als Puffer zu wählen.
Der Referenzeingang des A/D-Wandlers stellt für die Quelle eine dynamische, kapazitive Last dar. Die Frequenz berechnet sich aus der Anzahl der zu wandelnden Bits multipliziert mit der Abtastfrequenz des Wandlers. Das Bit mit der höchsten Wertigkeit (MSB, most significant bit) benötigt hier den höchsten Strom.
Aus diesem Grund sollte eine sogenannte Bandgap-Referenz, die einen internen Pufferverstärker besitzen kann, gewählt werden. Alternativ kann ein externer Operationsverstärker zum Einsatz kommen. Das Ziel ist es, einen maximalen Spannungseinbruch der Referenz von der Hälfte des kleinsten Bits (LSB, least significant bit) zu erreichen. Die Bandbreite des Operationsverstärkers sollte mindestens sein:
Wichtige Eigenschaften für einen Puffer sind:
- Er muss mit einer Verstärkung von 1 stabil betrieben werden können (Spannungsfolger),
- er muss große kapazitive Lasten treiben können (typisch größer als 1000 pF) und
- er sollte eine niedrige Ausgangsimpedanz über den nötigen Frequenzbereich besitzen.
Für die Genauigkeit der Wandlung ist es wichtig, dass die Referenz ein deutlich, mindestens um den Faktor 5 geringeres Rauschen als der A/D-Wandler besitzt. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist ein guter Temperaturkoeffizient. Diese beiden Parameter sind auch bei der Auswahl des Operationsverstärkers zu beachten.
Zusammenfassung
Um ein möglichst gutes Resultat bei schnellen Wandlungen zu erhalten, ist es wichtig, die richtige Architektur des Wandlers für die jeweilige Anwendung auszuwählen. Dann folgt die Auswahl der Treiberstufen und Filter für den analogen Eingang und auch für den Referenzeingang. Mit diesen analogen Komponenten ist jedoch das Design noch nicht abgeschlossen. Die Betrachtung der Datenschnittstelle, des Takteingangs und der Spannungsversorgung finden Sie hier im Elektroniknet unter www.elektroniknet.de/datenwandler.
- Beschaltung von schnellen Datenwandlern
- Der richtige Operationsverstärker für die Anwendung
- „Continuous Time Sigma Delta“-Wandler (CTSD-Wandler)
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