Analog-Digital-Wandler

Rauscharme Referenzspannung

24. Februar 2021, 11:00 Uhr | Anshul Shah, Analog Devices

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Aufbau der Testschaltung

Um die Leistungsfähigkeit des LTC6655LN einerseits mit passivem RC-Tiefpass und andererseits mit aktiven Tiefpass zu vergleichen, kam der hochpräzise Analog-Digital-Wandler AD7177-2 zum Einsatz. Bei dem AD7177-2 handelt es sich um einen zwei- bzw. vierkanaligen Sigma-Delta-Wandler mit einer Auflösung von 32 Bit für Eingangssignale mit geringer Bandbreite. In den Baustein ist ein programmierbarer digitaler Tiefpassfilter integriert, bei dem die Anwender die Ausgangsdatenrate (Output Data Rate, ODR) von 5 SPS (Sample pro Sekunde) bis 10 kSPS einstellen können.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+
Analog Devices, Data Converter, Reference Voltage
Bild 11: Blockschaltbild des aktiven Tiefpasses.
© Analog Devices

Die beim Design des aktiven Tiefpasses (Bild 11) verwendeten Komponenten waren zwei Operationsverstärker vom Typ ADA4522-1, ein Operationsverstärker (OPV) vom Typ AD797, SMD-Widerstände mit 25 ppm Genauigkeit, oberflächenmontierbare Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) und ein Folienkondensator von Wima mit 10 µF.

Der ADA4522 ist ein Rail-to-Rail-OPV mit einer breitbandigen Rauschdichte von 5,8 nV/√Hz und einem Flickerrauschen von 177 nV (Spitze zu Spitze). Der AD797 ist ein rauscharmer Operationsverstärker mit einer breitbandigen Rauschdichte von 0,9 nV/√Hz, einem Flickerrauschen von 50 nV (Spitze zu Spitze), einer Anstiegsgeschwindigkeit von 20 V/µs und einer Verstärkungsbandbreite von 100 MHz, wodurch er sich für die Ansteuerung eines A-D-Wandlers eignet.

Analog Devices, Data Converter, Reference Voltage
Bild 12: Eine 9-V-Batterie diente als ideale Gleichspannungsquelle.
© Analog Devices

Um die Leistungsfähigkeit bei Verwendung des LTC6655LN mit einem AD7177-2 korrekt beurteilen zu können, ist eine Gleichspannungsquelle mit einem Gesamtrauschen erforderlich, das geringer ist als das der ADC-Spannungsreferenz und des ADC-Rauschens. Daher wurde eine ideale Quelle verwendet, nämlich eine 9-V-Batterie (Bild 12).

Filter im Vergleich

Bild 13 zeigt die spektrale Rauschdichte, Bild 14 die Ausgangsdatenrate (ODR) im Vergleich zur ENOB, wobei der VREF-Eingang des AD7177-2 zum einen an einen LTC6655LN mit passivem RC-Tiefpass (NR-Kondensator 10 µF) zum anderen an einen aktiv gefilterten LTC6655LN angeschlossen war. Eine Übersicht über den Vergleich der spektralen Rauschdichte bei 1 kHz enthält Tabelle 4. Sowohl Bild 13 als auch Bild 14 zeigen zwei wichtige Bereiche: Bereich A und Bereich B.

Analog Devices, Data Converter, Reference Voltage
Bild 13: Spektrale Rauschdichte für die verschiedenen Rauschanteile des Systems.
© Analog Devices
Analog Devices, Data Converter, Reference Voltage
Bild 14: Ausgangsdatenrate (ODR) in Abhängigkeit der effektiven Zahl der Bits (ENOB).
© Analog Devices
LTC6655LTC6655LN passivem TiefpassLTC6655 mit aktivem TiefpassEingangsrauschen am ADC
96322,46,7

 

Tabelle 4: Spektrale Rauschdichte bei 1 kHz in nV/√Hz.

Das Diagramm der spektralen Rauschdichte in Bild 13 zeigt im Bereich A, dass bei einer Ausgangsdatenrate ab 500 SPS und höher sowohl das gefilterte Eingangsquellenrauschen des LTC6655 (SFG Noise; blau) als auch das Rauschen der ADC-Gleichspannungsquelle (DC Source Noise; grün) deutlich geringer sind als das des ADCs (ADC Noise; violett). Daraus ergibt sich die geringste Abweichung von der durch den ADC erreichbaren maximalen Leistungsfähigkeit, wie im Bereich A in Bild 14 dargestellt. Die wichtigste Erkenntnis auf der Grundlage der Ausgangsdatenrate im Verhältnis zur ENOB und der Darstellung der spektralen Rauschdichte ist, dass im Bereich A der Anstieg des gesamten integrierten Rauschens (Effektivwert) verhindert, dass die Signalkette eine Messauflösung von 25 Bit erreicht.

Im Bereich B zeigt der Graph der spektralen Rauschdichte (Bild 13), dass das Flickerrauschen der drei Spannungsreferenz-Optionen und der Gleichstromquelle steigt und das Rauschen der Gleichstromquelle (grüne Linie) das Rauschen des Gesamtsystems dominiert. Dieser Anstieg des Flickerrauschens innerhalb des Bereichs B erklärt den Anstieg der Abweichung der ENOB zwischen der gemessenen Performance und dem durch den ADC erreichbaren Maximum (Bild 14).

Gemäß dem Graphen von Ausgangsdatenrate gegenüber ENOB erreicht der aktiv gefilterte LTC6655 eine Auflösung von 25 Bit bei 20 SPS und darunter, während die Auflösung beim passiv gefilterten LTC6655LN-5 mit einem NR-Kondensator mit 10 µF höchstens 24,6 Bit beträgt.

Tabelle 5 fasst die Leistungsdaten des A-D-Wandlers AD7177-2 zusammen, wobei der VREF-Eingang entweder an einen passiv gefilterten LTC6655LN oder einen aktiv gefilterten LTC6655 angeschlossen ist. Wenn die ADC-Eingänge miteinander verbunden sind und der VREF-Eingang an den LTC6655 angeschlossen ist, ergibt die Vollausschlagspalte den besten Dynamikbereich, den der AD7177-2 erreichen könnte.

Ausgangsdatenrate / SPSVollausschlag für den Dynamikbereich des ADCs / dBDynamikbereich des ungefilterten LTC6655 / dBDynamikbereich des passiv gefilterten LTC6655LN / dBDynamikbereich des aktiv gefilterten LTC6655 / dBUnterschied im Dynamikbereich / dB (passiv gefilterter LTC6655LN zu ungefiltertem LTC6655)Unterschied im Dynamikbereich /dB (aktiv gefilterter LTC6655 zu ungefiltertem LTC6655)
10.000135,40126,88132,22134,655,337,77
5000138,41129,14135,08137,375,948,23
2500140,82132,91137,23139,864,326,95
1000144,43136,50140,11142,423,615,92
500148,65137,55141,95144,374,406,83
200152,86139,83144,15147,404,327,57
100156,47143,32145,82150,492,497,17
59,96157,08143,66147,31151,713,658,05
49,96159,48146,58148,43151,721,855,14
20162,49149,51149,56152,260,062,76
10163,70149,58149,72152,260,142,68
5165,50150,07150,25152,260,182,19

 

Tabelle 5: Übersicht und Vergleich der verschiedenen Dynamikbereiche.

Da die ADC-Eingänge nahezu auf den vollen Skalenbereich eingestellt sind, erhöht sich der Dynamikbereich beim passiv gefilterten LTC6655LN-5 durchschnittlich um 4 dB bei bis zu 59,96 SPS im Vergleich zum ungefilterten LTC6655. Bei einem aktiv gefilterten LTC6655 hingegen erhöht sich der Dynamikbereich im Vergleich zum ungefilterten Baustein um durchschnittlich 7 dB bei bis zu 59,96 SPS. Die Differenz des Dynamikbereichs variiert unterhalb von 59,96 SPS nur wenig, und die Varianz beruht hauptsächlich auf dem dominierenden niederfrequenten Flickerrauschen, das durch die DC-Eingangsquelle des ADCs induziert wird.

Im Vergleich zum passiv gefilterten LTC6655LN verringert sich das Breitbandrauschen bei 1 kHz um 62 %, beim aktiv gefilterten LTC6655 um 97 %.

Fazit

Wenn ein Präzisionssystem eine Auflösung von 25 Bit oder höher erreichen soll, ist es notwendig, das Rauschen der Spannungsreferenz zu berücksichtigen. Wie in Bild 2 dargestellt, ist der Beitrag des VREF-Rauschens zum Systemrauschen proportional zur Ausnutzung des vollen Skalenbereichs des ADCs. Dieser Artikel hat gezeigt, dass ein zusätzliches Filter zu einer Präzisions-Spannungsreferenz das VREF-Rauschen dämpft. Dies wiederum vermindert das gesamte Systemrauschen.

Ein LTC6655 als Spannungsreferenz, gefolgt von einem aktiven Tiefpass, kann das Breitbandrauschen um 97 % gegenüber dem nicht gefilterten LTC6655 reduzieren. Dies ist mit zusätzlichen Kosten für Bauteile, mehr Platinenfläche, höherer Stromaufnahme und einigen ppm niedrigerer Gleichspannungsgenauigkeit verbunden, und der Präzisions-Referenzausgang kann mit der Temperatur variieren.

Unter Berücksichtigung der Kompromisse bei aktiven Tiefpässen zeichnet sich der LTC6655LN durch einfaches Design und niedrige Stromaufnahme aus, benötigt nur einen einzigen Kondensator, um das Breitbandrauschen zu reduzieren, und macht einen externen Puffer zur Ansteuerung eines ADCs überflüssig. Mit einem 10 µF großen NR-Kondensator reduziert der LTC6655LN das Breitbandrauschen im Vergleich zum filterlosen LTC6655 um 62 %. Daher können Anwender nun die Vorteile des integrierten Tiefpassfilters im LTC6655LN nutzen, um Präzisionssysteme mit der gewünschten Auflösung zu realisieren.

Referenzen

[1] Mark Reisiger: Reduce Amplifier Noise Peaking to Improve SNR; ElectronicDesign, Oktober 2012.

[2] Gene F. Franklin, J. David Powell, and Abbas Emami-Naeini: Feedback Control of Dynamics Systems; Addison-Wesley Longman Publishing, November 1993.


  1. Rauscharme Referenzspannung
  2. Rauschunterdrückung mit aktivem Tiefpass
  3. Aufbau der Testschaltung

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Analog Devices GmbH