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Präzise Messwerterfassung

Was beim Einsatz von ADUs mit hoher Auflösung zu beachten ist

19. August 2020, 12:55 Uhr   |  Von Soufiane Bendaoud

Was beim Einsatz von ADUs mit hoher Auflösung zu beachten ist
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Verstärker für analoge Eingangsstufen müssen an die Quelle angepasst werden – und an den nachfolgenden Analog-Digital-Umsetzer. Das Beispiel der Rauscheigenschaften verdeutlicht, worauf Entwickler bei der Verstärkerwahl achten müssen

Bei hochpräzisen Messschaltungen stellen sich Herausforderungen ein, die sich letztendlich auf die Auswahl der zu verwendenden Bauelemente auswirken. Häufig befinden sich die Entwickler dabei in einer echten Zwickmühle, da sie das Beste zweier Welten miteinander kombinieren müssen: Einerseits müssen sie durch sorgfältige Auswahl der Bauelemente ihre Entwicklungsvorgaben erreichen, andererseits können diese Bauelemente nicht immer allen gestellten Anforderungen gerecht werden.

Zum Beispiel müssen bei der Entwicklung von Analog-Digital-Umsetzerschaltungen die analoge Eingangsstufe, also der Operationsverstärker, Messverstärker oder PGA (Programmable Gain Amplifier) im Hinblick auf die Ausgangsimpedanz der Quelle – in den meisten Fällen ein Sensor – gewählt werden, mit dem die Schaltung verbunden werden soll. So lässt sich verhindern, dass es durch Belastungseffekte zu Verstärkungsfehlern kommt. Ebenso müssen jedoch die Abtastrate und die Einschwingzeit des ADUs berücksichtigt werden, da sich diese beiden Parameter darauf auswirken, welche Operationsverstärker infrage kommen.

 Je nach Sensortyp variieren die Ausgangsimpedanz und damit auch die Anforderungen an die das Sensorsignal verarbeitende analoge Eingangsstufe
© Texas Instruments

Tabelle. Je nach Sensortyp variieren die Ausgangsimpedanz und damit auch die Anforderungen an die das Sensorsignal verarbeitende analoge Eingangsstufe.

Ein stromsparender, bei Eins-Verstärkung stabil arbeitender Operationsverstärker kann nicht mit der nötigen Bandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit aufwarten, was zu falschen Messwerten der Einschwingzeit führt. Ein A/D-Umsetzer mit 16 oder 18 bit Auflösung benötigt eine rauscharme analoge Eingangsstufe, damit die Signalinte­grität gewahrt bleibt.

In der Tabelle ist für einige gängige Sensortypen aufgeführt, welche Operationsverstärker hinsichtlich des Halbleiterfertigungsprozesses und des zu erwartenden Eingangsruhestroms (Bias) Ib geeignet sind.

Was hat der Sensortyp mit dem Ib-Wert zu tun?

Die Empfehlung des Autors, für Sensoren mit sehr hoher Impedanz Opera­tionsverstärker mit sehr geringem Eingangsruhestrom zu verwenden, hat mit dem Rauschen und den Offsetfehlern zu tun, die durch die Wechselwirkung zwischen Ib und der Eingangsimpedanz (Widerstand der Quelle) entsteht. Wenn die Impedanz der Quelle im GΩ- bis TΩ-Bereich liegt, sollte der Verstärker einen sehr niedrigen Eingangsruhestrom haben, beispielsweise dank eines CMOS-Eingangs.

Allerdings muss der Entwickler auch in diesem Fall wissen, dass ein sehr geringer Ib-Wert nur bei Zimmertemperatur von großem Vorteil ist, denn bei steigender Temperatur nimmt der Eingangsruhestrom exponentiell zu und verdoppelt sich mit jeder Temperaturzunahme um 10 K. Ein Operationsverstärker, der bei 25 °C einen Ib-Wert von 1 pA aufweist, hat also bei 125 °C bereits einen Eingangsruhestrom von 1 nA.

Ein weiteres Problem lässt die Formel für das Schrotrauschen erkennen:

Darin steht q für eine Elektronenladung (1,6 × 10-19 C) und Ib ist der Eingangsruhestrom (Bias).

Es ist offensichtlich, dass das Stromrauschen zu einem echten Problem wird, wenn die Quellimpedanz im GΩ-Bereich liegt. Sind die Impedanzen der Quellen noch größer, bieten Operationsverstärker mit extrem niedrigem Eingangsruhestrom, wie etwa der LMP7721 von Texas Instruments [1], deutliche Vorteile.

Mit dem Eingangsstromrauschen ist es allerdings nicht getan. In Anwendungen, in denen sich die Signale nur sehr langsam verändern – z.B. bei der Temperaturüberwachung – oder in denen die Frequenzbänder sehr schmal sind – z.B. bei medizinischen Messgeräten und im Audiobereich – wird das Gesamtrauschen vom 1/f-Rauschen (rosa Rauschen) dominiert. In solchen Fällen bewährt sich ein JFET, dessen Ib deutlich geringer ist als der eines bipolaren Sperrschichttransistors, wogegen sein 1/f-Rauschen wiederum niedriger ist als bei Verwendung der CMOS-Technik.

Fällt Spannungsrauschen bei hoher Quellimpedanz weniger ins Gewicht?

Wie so oft in der Elektronik, lautet die Antwort auf die Frage »Fällt das Spannungsrauschen bei hoher Quellimpedanz weniger ins Gewicht?«: Das kommt darauf an. Bei sehr hoher Quellimpedanz dominiert mit großer Wahrscheinlichkeit das Stromrauschen. Allerdings ist es empfehlenswert, sämtliche Rauschquellen zu berücksichtigen – auch bei einem Operationsverstärker mit extrem niedrigem Eingangsruhestrom.

Bekanntlich ist das Spannungsrauschen umgekehrt proportional zum Strom – ganz gleich, ob es sich um einen Kollektorstrom oder einen Drain-Strom (CMOS) handelt. Um ein geringes Spannungsrauschen zu erhalten, muss dem Operationsverstärker ein hoher Strom (Ruhestrom) zugeführt werden, was wiederum eine Zunahme der Bandbreite bewirkt, da sich das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt (GBP, Gain Bandwidth Product) nach Gleichung 2 berechnet:

gm ist hier gleich Ic/UT (bei bipolaren Transistoren) bzw. √(2kIdW/L) (bei CMOS-Schaltungen).

Dabei sind:
CC = Kompensationskondensator (Miller-Kondensator),
Ic = Kollektorstom
UT = Temperaturspannung (= kB × T/q
mit: kB = Boltzmannkonstante (1,38 × 10-23 J/K), T = absolute Temperatur und q = Elementarladung (1,602 × 10-19 C))
Id = Drainstrom
k = Prozesskonstante für Transkonduktanz
W = Kanalbreite des MOSFETs
L = Kanallänge des MOSFETs

Da das Rauschen über die Bandbreite integriert wird, sind rauscharme Verstärker – Messverstärker, programmierbare Verstärker oder differenzielle Verstärker – nur dann von Vorteil, wenn ihre Bandbreite begrenzt wird.

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1. Was beim Einsatz von ADUs mit hoher Auflösung zu beachten ist
2. Die Auswirkungen des Rauschens der Eingangsstufe
3. Auswirkungen auf den Analog-Digital-Umsetzer

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