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Präzise Messwerterfassung

Was beim Einsatz von ADUs mit hoher Auflösung zu beachten ist


Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Auswirkungen auf den Analog-Digital-Umsetzer

Würde ein Entwickler den 16-bit-ADU ADS8922B [3] von Texas Instruments – mit einem typischen SNR von 92 dB – zusammen mit einer Präzisions-Spannungsreferenz, z.B. REF5025 [4] von Texas Instruments, verwenden, würde der geringe SNR-Wert des Operationsverstärkers die Eigenschaften der Gesamtschaltung beeinträchtigen.
Eine Rauschsimulation des REF5025 ergibt, dass sein SNR ungefähr 85 dB beträgt (siehe Bild 4). Der SNR-Wert der Gesamtschaltung aus Operationsverstärker, ADU und Spannungsreferenz) lässt sich mit Gleichung 10 berechnen:

 

S N R equals 20 cross times log square root of 10 to the power of 71 over 10 end exponent end root plus 10 to the power of 92 over 10 end exponent plus 10 to the power of 85 over 10 end exponent
S N R equals negative 78 d B

Das Verstärkerrauschen lässt sich verbessern, indem ein Kondensator in die Rückkoppelschleife einfügt wird. Hierbei stellt sich die Frage, wo der Entwickler die Grenzfrequenz festlegen soll.

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Der Signal-Rauschabstand (SNR) der Referenzspannungsquelle REF5025 beträgt bei hohen Frequenzen ca. 85 dB
Bild 4. Der Signal-Rauschabstand (SNR) der Referenzspannungsquelle REF5025 beträgt bei hohen Frequenzen ca. 85 dB.
© Texas Instruments

Die Simulation des Rauschens – eine korrekte Nachbildung vorausgesetzt – hat unter anderem den Vorteil, dass sich anhand der grafischen Darstellung des gesamten integrierten Rauschens und des jeweils akzeptablen Rauschniveaus umgehend die Grenzfrequenz des Filters bestimmen lässt.

Soll beispielsweise das ausgangsseitige RMS-Rauschen des Operationsverstärkers OPA189 auf 50 µV reduziert werden, wird die Grenzfrequenz fg bei 6 kHz/1,57 angesetzt. Die 6 kHz muss durch 1,57 dividiert werden, um die Differenz zwischen Signal- und Rauschbandbreite bei einem Filter erster Ordnung zu berücksichtigen.
Um die Rauschbandbreite mithilfe eines Kondensators parallel zum Rückkoppel-widerstand zu verringern, wird der Kapazitätswert entsprechend Gleichung 11 berechnet.

 

C space equals space fraction numerator 1 over denominator 2 πfR end fraction
C space equals fraction numerator 1 over denominator 2 πx begin display style fraction numerator 6000 over denominator 1 comma 57 end fraction end style straight x 10000 end fraction
C space equals 416 p F

 

Das RMS-Rauschen des beschalteten Operationsverstärker OPA189 wird durch das RC-Filter erster Ordnung auf 50 µV reduziert – siehe Bild 2 ohne Filter zum Vergleich
Bild 5. Das RMS-Rauschen des beschalteten Operationsverstärker OPA189 wird durch das RC-Filter erster Ordnung auf 50 µV reduziert – siehe Bild 2 ohne Filter zum Vergleich.
© Texas Instruments
 Der Signal-Rauschabstand (SNR) des OPA189 mit RC-Filter erster Ordnung verbessert sich durch das Filter um 15 dB – siehe Bild 3 ohne Filter zum Vergleich
Bild 6. Der Signal-Rauschabstand (SNR) des OPA189 mit RC-Filter erster Ordnung verbessert sich durch das Filter um 15 dB – siehe Bild 3 ohne Filter zum Vergleich.
© Texas Instruments

Mit dem eingefügten Kondensator beträgt das RMS-Gesamtrauschen nun 50 µV. Der SNR-Wert des Operationsverstärkers verbessert sich damit um 15 dB auf 86 dB (siehe die Bilder 5 und 6). Mit Gleichung 10 errechnet sich nunmehr ein Gesamt-SNR von 82 dB.

Genaues Datenblatt lesen lohnt sich

Bei der Entwicklung von Schaltungen mit hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzern müssen abgesehen von den Aspekten, die in diesem Beitrag behandelt wurden, noch weitere Parameter berücksichtigt werden. Auf jeden Fall kann eine genaue Betrachtung der PGAs, Operationsverstärker, Messverstärker und anderer Bauelemente in der analogen Eingangsstufe – mitsamt den spezifischen Eigenschaften der Halbleitertechniken in denen sie gefertigt wurden – bei der Auswahl eines geeigneten Bauelements helfen.

Auch wenn Operationsverstärker mit bipolarem Eingang einen höheren Eingangsruhestrom und ein höheres Stromrauschen aufweisen, bringt die Super-Beta-Technik hier gewisse Verbesserungen. Zum Beispiel bringt es der Operationsverstärker OPA202 [5] auf einen Eingangsruhestrom von maximal 2 nA und ein Stromrauschen von 76 fA.

Vorsicht ist allerdings bei Operationsverstärkern mit Techniken zur Kompensation des Eingangsruhestroms geboten. Die Berechnung des Stromrauschens ergibt hier ein um etwa 41 % höheres Resultat als bei einem unkompensierten Ib-Wert. Ob in einem Verstärker eine Kompensationsmethode angewandt wird, lässt sich aus den Spezifikationstabellen im Datenblatt ersehen. Ist dort der Ib-Wert mit dem Zeichen ± angegeben, kommt ein Kompensationsverfahren zur Anwendung.     

 

Literatur

[1] LMP77213 Femtoampere Input Bias Current Precision Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, Dezember 2014, www.ti.com/lit/ds/symlink/lmp7721.pdf.

[2] OPAx189 Precision, Lowest-Noise 36-V, Zero-Drift, 14-MHz MUX-Friendly, Rail-to-Rail Output, Operational Amplifiers. Texas Instruments, Datenblatt, Juli 2020, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa189.pdf.

[3] ADS892xB 16-Bit, High-Speed SAR ADCs With Integrated Reference Buffer, and Enhanced Performance Features. Texas Instruments, Datenblatt, August 2017, www.ti.com/lit/ds/symlink/ads8922b.pdf.

[4] REF50xx Low-Noise, Very Low Drift, Precision Voltage Reference. Texas Instruments, Datenblatt, Februar 2020, www.ti.com/lit/ds/symlink/ref5025.pdf.

[5] OPAx202 Precision, Low-Noise, Heavy Capacitive Drive, 36-V Operational Amplifiers. Texas Instruments, Datenblatt, Mai 2020, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa202.pdf.

 

Der Autor

 

Bendaoud-Soufiane von Texas-Instruments
Soufiane Bendaoud von Texas Instruments
© Texas Instruments

Soufiane Bendaoud

ist Business Development Manager für Präzisionsverstärker bei Texas Instruments. Bevor er zu TI kam, arbeitete er bei National Semiconductor in verschiedenen Funktionen, unter anderem bei der Produktdefinition. Bendaoud arbeitete auch bei Analog Devices als Anwendungsingenieur, wo er Produkte definierte und den Kundensupport für Präzisions-ICs leistete.

asktexas@ti.com


  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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