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Hochauflösende schnelle ADCs brauchen ADC-Treiber

9. September 2022, 8:30 Uhr | Von Kevin Tretter, Senior Product Marketing Manager bei Microchip Technology
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© Microchip Technology/WEKA Fachmedien

Der Bedarf an der Aufbereitung von Analogsignale, inklusive A/D-Wandler (ADCs), nimmt weiter zu, da Sensoren in vielen Endmärkten immer häufiger zum Einsatz kommen. Damit ADCs ihre Leistungsfähigkeit wirklich ausspielen können, sind ADC-Treiber notwendig, inkl. das Wissen über die Bausteine.

Sensoren wandern in die unterschiedlichsten Applikationsbereiche, einschließlich IoT-Anwendungen, Fabrikautomatisierung und Steuerungen, das Gesundheitswesen, Sicherheit und die Automobilindustrie. Schaut man sich jetzt die dafür notwendigen A/D-Wandler an, ist ganz klar zu erkennen, dass der Trend zu Bausteinen mit höherer Auflösung und höherer Geschwindigkeit geht, da die Kosten für solche Komponenten immer geringer werden.

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Was ist ein ADC-Treiber?

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei ADC-Treibern um Spezialverstärker, die speziell für den Einsatz mit A/D-Wandlern entwickelt wurden, einschließlich solcher mit sukzessiver Approximation, Pipeline- und Delta-Sigma-Architekturen. Diese Spezialverstärker sind kritische Schaltungskomponenten, damit der ADC seine volle Leistungsfähigkeit erreichen kann. Und: mit der Weiterentwicklung von Wandlern hin zu höherer Geschwindigkeit und höherer Auflösung werden die ADC-Treiber immer wichtiger.

Bild 1
Bild 1: Beispiel einer differenziellen Sinuswelle
© Microchip Technology

ADC-Eingänge verstehen

Bevor wir näher auf die Funktion eines ADC-Treibers eingehen, ist ein kurzer Überblick über die Eingangsarchitektur heutiger ADCs hilfreich. Ein differenzielles Signal kann als zwei Knoten definiert werden, die gleichgroße, aber entgegengesetzte Signale um einen festen Punkt herum (den Gleichtaktpegel) aufweisen. Die beiden Signalknoten werden als positiv und negativ (oder nicht invertierend und invertierend) bezeichnet (Bild 1).

Im obigen Beispiel beträgt die volle Eingangsspannung differenziell 5 VSS (Spitze-Spitze), wobei jeder Schenkel 2,5 VSS schwingt. Der Gleichtaktpegel beträgt in diesem Beispiel 2,5 V. Ein Großteil der heutigen Hochleistungs-ADCs verfügt über eine differenzielle Eingangsarchitektur, da diese eine bessere Leistungsfähigkeit bietet (im Vergleich zu Single-Ended-Eingängen). Zu diesen Leistungsvorteilen gehören die Fähigkeit, Gleichtaktrauschen und gemeinsame Störsignale zu unterdrücken, sowie ein um 6 dB (Faktor 2) höherer Dynamikbereich.

ADCs können eine besondere Herausforderung für Systementwickler darstellen, da sie eine Vielzahl unterschiedlicher Eingangsabtast-Architekturen bieten, die auf Systemebene berücksichtigt werden müssen. In diesem Beitrag liegt der Fokus auf ADCs, die eine Struktur mit geschalteten Kondensatoren (Switched-Capacitor) für die Eingangsabtastung verwenden. In ihrer einfachsten Form besteht diese aus einem kleinen Kondensator und einem analogen Schalter (Bild 2).

Bild 2
Bild 2: Einfacher Switched-Capacitor-Eingang
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Befindet sich der Schalter in Position 1, wird der Abtastkondensator auf die Spannung des Abtastknotens geladen (VS). Der Schalter wird dann auf Position 2 umgelegt, wo die akkumulierte Ladung des Abtastkondensators auf den Rest des Abtastschaltkreises übertragen wird. Der Prozess beginnt dann wieder von vorne.

Ein ungepufferter Switched-Capacitor-Eingang, wie der oben beschriebene, kann erhebliche Probleme auf Systemebene verursachen. Der Strom, der erforderlich ist, um den Abtastkondensator auf die entsprechende Spannung zu laden, muss von der externen Schaltung geliefert werden, die mit dem ADC-Eingang verbunden ist. Wird der Kondensator auf den Abtastknoten geschaltet (Schalterposition 1 in Bild 2), ist eine große Strommenge erforderlich, um den Kondensator zu laden. Die Größe dieses momentanen Stroms ist eine Funktion der Größe des Abtastkondensators, der Frequenz, mit der der Kondensator geschaltet wird, und der am Abtastknoten anliegenden Spannung. Dieser Schaltstrom lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben:

Iin = CUf

wobei C die Kapazität des Abtastkondensators ist, U die an dem Abtastknoten vorhandene Spannung (in diesem Beispiel als VS bezeichnet) und f die Frequenz, bei der der Abtastschalter ein- und ausgeschaltet wird. Dieser Schaltstrom führt zu hohen Stromspitzen am Abtastknoten, wie in Bild 2 dargestellt.

Die Auswirkungen dieses Schaltstroms müssen beim Entwurf der analogen Schaltung vor dem A/D-Wandler berücksichtigt werden. Wenn der Eingangsstrom durch einen beliebigen Widerstand fließt, tritt ein Spannungsabfall auf, der zu einem Spannungsfehler am Abtastknoten des A/D-Wandlers führt. Verzerrungen können auch auftreten, wenn der Eingangsknoten vor dem nächsten Abtastzyklus nicht vollständig eingeschwungen ist.


  1. Hochauflösende schnelle ADCs brauchen ADC-Treiber
  2. Die Lösung des Problems: ADC-Treiber

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