Treiberverstärker
SAR-Wandler richtig treiben
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Pseudo-differenzielle A/D-Wandler treiben
Pseudo-differenzielle A/D-Wandler treiben
Bei präzisen analogen Schaltungen wird häufig übersehen, dass es nötig ist, die Verstärkungseinstellung und die Widerstände, die den Pegel verschieben, gut aufeinander abzustimmen. Bei Einsatz von Widerständen mit einer Toleranz von 0,1% wird sich dieser Wert mit der Zeit, der Temperatur und dem Gleichtaktspannungsbereich soweit ändern, dass sie wahrscheinlich die dominante Fehlerquelle in der Schaltung wird. Kommen abgeglichene Präzisionswiderstände wie der »LT5400« (Toleranz 0,01% bzw. 0,025%) zum Zuge, lässt sich dieses Problem mildern.
Ein Verstärker benötigt einen Spielraum (Headroom) zwischen seiner Versorgungsspannung und den Ausgangsspannungen. Um die beste Genauigkeit und Linearität beizubehalten, müssen die Ausgänge typischerweise und abhängig vom Verstärker ein halbes Volt oder mehr innerhalb der Versorgungspegel liegen. Dies bedeutet, dass dem Verstärker höhere Versorgungsspannungen zugeführt werden müssen, als der Eingangsbereich des A/D-Wandlers ist, oder der Baustein muss einen eingeschränkten Eingangsbereich vom Verstärker akzeptieren. Einige A/D-Wandler wie der LTC2379-18 enthalten eine »Digitale Verstärkungskompression« (Digital Gain Compression), die intern den vollen Spannungsbereich des ICs so einstellt, dass er immer ein halbes Volt sowohl von der Masse als auch der Referenzspannung entfernt bleibt. Dadurch kommt der Verstärker mit einer einfachen Versorgung mit +5 V aus, um den vollen Spannungsbereich des A/D-Wandlers auszunutzen.
Eine weitere Methode, um ein unsymmetrisches Analogsignal in ein digitales zu wandeln, besteht darin, die differenzielle Wandlung völlig auszulassen und stattdessen einen pseudo-differenziellen A/D-Wandler wie den »LTC2369-18« von Linear Technology zu verwenden. Der Nachteil dabei ist, dass man wegen des kleineren Eingangsbereichs bis zu 6 dB Signal/Rauschabstand verliert. Differenzielle Architekturen sind auch inhärent besser beim Unterdrücken geradzahliger Oberwellen.
Aber es gibt auch einige signifikante Vorteile, um bei einer unsymmetrischen Architektur zu bleiben. Die Treiberschaltung ist einfacher: So lässt sich ein einfacher rauscharmer, schnell einschwingender Operationsverstärker wie der »LT6202« einsetzen. Ein zweiter OPV und Widerstände werden nicht benötigt, um den invertierten Eingang zu erzeugen, was die Stückliste deutlich reduziert. Zudem verbraucht die Schaltung auch weniger Leistung und weist geringeres Rauschen auf.
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Weil sie rauscharm ist, kann das Anti-Aliasing-Filter, das dem Verstärker nachgeschaltet ist, eine höhere Grenzfrequenz haben. Dadurch kann der Verstärker leichter innerhalb der Wandlungszeit des A/D-Wandlers einschwingen. Das wiederum macht ihn zu einer guten Wahl für Anwendungen, bei denen aufeinander folgende Wandlungen über den vollen Skalenbereich variieren können, wie dies bei gemultiplexten Signalen der Fall ist.
Auch bei pseudo-differenziellen A/D-Wandlern muss man bei der Treiberschaltung den Spielraum des Spannungsbereichs beachten, damit der Verstärker das Signal auch bis 0 V herunter ohne Verzerrung treiben kann. In den meisten Fällen bedeutet dies, dass der Verstärker eine negative Versorgungsspannung benötigt. Ein Weg, dies zu umgehen, besteht darin, einen Baustein wie den »LTC6360« zu verwenden. Dieser hat eine interne, extrem rauscharme Ladungspumpe, welche die negative Versorgungsspannung intern selbst generiert (Bild 5). Dadurch kann der Ausgang auch mit nur einer einzigen positiven Versorgungsspannung bis auf Masse schwingen und sogar noch etwas darüber ins Negative hinaus. Der LTC6360 besitzt einen Offset von 250 µV und ein Rauschen von 2,3 nV/√Hz bei schnellem Einschwingen (16 Bit in 150 ns).
Über den Autor:
Brian Black ist Product Marketing Manager für Signal Conditioning Products bei Linear Technology.
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