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Integriert oder besser mit eigenständigem IC?

7. März 2022, 9:09 Uhr | Von Iman Chalabi, Product Marketing Engineer in der Mixed Signal Linear Business Unit bei Microchip-Technology

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Systembetrachtung

Wie steht es um die Präzision des integrierten ADC? Ein Blick auf die Spezifikationen zeigt, dass die ENOB 11,1 beträgt, was einer Auflösung von etwa 1,1 mV bei einem analogen Eingangssignal von 2,5 V entspricht. Die Präzision ist etwa 80-mal besser als die Genauigkeit. Daraus folgt, dass der integrierte ADC einen Fehler von 90,7 mV und eine Präzision von etwa 1,1 mV effektiv erreicht. Die Genauigkeit des integrierten ADC ließe sich durch den Einsatz einer externen Referenz verbessern, aber aufgrund der Tatsache, wie der ADC spezifiziert wurde, ist unklar, in welchem Maße die externe Referenz die Genauigkeitsleistung verbessern wird.

Als Nächstes soll ein eigenständiger ADC, z. B. der MCP33141-10 von Microchip Technology untersucht werden.

Betrachten Sie die Genauigkeit dieses 12-bit-ADC mit 1 MSample/s, berechnen Sie den TUE und vergleichen Sie ihn mit der des integrierten ADC. Der TUE über den Temperaturbereich von –40 bis +125 °C entspricht ±0,06 Prozent. Das ist 30-mal genauer als der integrierte ADC und gilt für einen größeren Temperaturbereich. Die Präzision des eigenständigen ADC beträgt 11,8 Bits, d. h. in diesem Beispiel ist die Präzision des eigenständigen ADC etwa viermal besser als seine Genauigkeit. Daraus folgt, dass der eigenständige ADC einen Fehler von 2,9 mV und eine Genauigkeit von etwa 0,7 mV effektiv aufweist.

Im Vergleich gemäß der Tabelle liegen die Präzision eines integrierten und eines eigenständigen ADC sehr nahe beieinander. Auch wenn der integrierte ADC präzise war, konnte er die geforderte Genauigkeit von 1 Prozent nicht erreichen. Nur der eigenständige ADC kann die für einen NTC-Temperatursensor geforderte Genauigkeit von 1 °C oder 0,8 Prozent über den ganzen Temperaturbereich erfüllen.

Systembetrachtungen zu Genauigkeit und Präzision

Bei einer ausschließlichen Betrachtung der ADC-Präzision bleiben die Variablen des Systems, in dem der ADC eingesetzt wird, unberücksichtigt. Ist der ADC genau und präzise, dann ist sein Ausgangssignal über alle Bausteine und alle Bedingungen hinweg konsistent, anstatt nur für einen bestimmten Baustein oder ein bestimmtes Umfeld Konsistenz zu bieten.

Wenn also Genauigkeit oder Konsistenz nicht über alle Systeme hinweg oder unter allen Bedingungen erforderlich sind, dann liegen die Vorteile eines integrierten ADC in geringerer Komplexität, Größe und Preis. Die Komplexität ist bei einem integrierten ADC geringer, da man keine Software für die Schnittstelle zu einem externen ADC entwickeln muss - und auch die Platzierung und Weiterleitung von analogen und digitalen Signalen zum und vom ADC muss nicht bedacht werden. Die Integration des ADC in die MCU ermöglicht auch einen geringeren Platzbedarf auf der Platine. Ferner ist der Preis einer MCU mit integriertem ADC typischerweise niedriger als der Preis für die Kombination aus zwei Bausteinen, MCU und eigenständiger ADC.

Bestehen jedoch hohe Anforderungen an Präzision, Genauigkeit und Konsistenz über alle Systeme und über alle Bedingungen hinweg, unter denen ein System funktionieren muss, dann sollte man bei der Wahl des ADC sehr vorsichtig vorgehen. Entwickler sollten nicht den Fehler machen, zu glauben, dass die Streuung der Bausteine gering ist und dass man mit digitalen Kompensationsverfahren Ungenauigkeiten oder Inkonsistenzen des analogen Verhaltens ausgleichen könnte. Wie bereits gezeigt, können digitale Kompensationsverfahren potenziell die Genauigkeit des Systems verringern und gleichzeitig die Komplexität erhöhen.

Außerdem ist darauf zu achten, dass für ADC und Spannungsreferenz nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die Genauigkeit über einen Temperaturbereich spezifiziert ist. Ist die Genauigkeit des ADC nicht über die Temperatur spezifiziert, dann besteht ein hohes Risiko, dass sich Prozess-, Herstellungs-, Prüf- und Temperaturschwankungen als Fehler im System bemerkbar machen. Und noch schlimmer: Diese Schwankungen sind nicht deterministisch. Der eine Baustein kann eine signifikante positive Verstärkungsdrift aufweisen, während ein anderer Baustein eine signifikante negative Verstärkungsdrift besitzt. Solche starken Schwankungen können zu einem instabilen System führen.

Die Auswahl zwischen einem integrierten ADC und einem eigenständigen ADC läuft daher auf eine Entscheidung zwischen Kosten, Genauigkeit und Konsistenz der Leistung hinaus. Hat man die benötigte Genauigkeit oder Konsistenz der Leistung erst einmal definiert, lässt sich die Wahl leicht treffen.