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Analog/Digital-Wandler

Immer den richtigen Wandler wählen

24. Mai 2011, 9:49 Uhr | Alison Steer

A/D-Wandler spielen in vielen Bereichen der Medizinelektronik eine entscheidende Rolle. Kernaspekte dabei sind Performance, Abmaße und Verlustleistung. Doch A/D-Wandler, die für die eine Applikation passen, sind nicht immer die richtigen für andere Anwendungen. Daher müssen Entwickler die Architekturunterschiede kennen.

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Mit tragbaren Geräten, die den Patienten über die Grenzen eines Krankenhauses hinaus überwachen können, möchte man die steigenden Kosten im Gesundheitswesen abfedern. Medizinische Daten, gespeichert in diesen Geräten, lassen sich dann auf einen PC herunterladen oder elektronisch zurück ins Hospital übertragen. Tragbare Lösungen erfordern genaue A/D-Wandler mit äußerst geringer Verlustleistung. Genauere Diagnosen durch nichtinvasive Methoden (z.B. bildgebende Verfahren) können ebenfalls helfen, Kosten zu sparen. Beispielsweise lassen sich so chirurgische Eingriffe unter Umständen ganz vermeiden.

In einem solchen Fall müssen die dort eingesetzten A/D-Wandler extrem schnell und/oder extrem genau sein, während die Verlustleistung eine nicht ganz so gewichtige Rolle spielt. Die Anforderungen an Datenwandler sind also ganz unterschiedlich je nach Anwendung. Daher gibt es auch nicht nur eine einzige Architektur für solche Bausteine, die jeweils ihre ganz besonderen Eigenheiten haben, die zu einer bestimmten Anwendung daher mal besser mal schlechter passen. Im Folgenden sollen diese Unterschiede anhand einiger Bausteinbeispiele herausgearbeitet werden.

SAR-A/D-Wandler

Die medizinische Überwachung wie EKG/EEG, Pulsmessungen, aber auch Applikationen zur Blut- und Flüssigkeitsanalyse (z.B. Pulsoximetrie) erfordern eine präzise Analog/Digital-Wandlung mit Abtastraten bis zu 1 MSample/s. 12- bis 14-Bit-SAR-A/D-Wandler sind dazu eine gute Wahl, denn sie gewährleisten in diesen Patientenmonitoren die notwendige geringe Verlustleistung und die kleine Bauform. Die 16-Bit-A/D-Wandlerfamilie »LTC238x« von Linear Technology hat Abtastraten zwischen 250 kSample/s und 1 MSample/s in einem kleinen 4 mm x 3 mm großen Gehäuse (Tabelle 1).

Der differenzielle Eingangsbereich von ±2,5 V ermöglicht einen Signalrauschabstand (SNR) von 92 dB mit garantierten THD-Spezifikationen (Total Harmonic Distortion) über den vollen industriellen und Automobil-Temperaturbereich. Diese Bausteine schalten zwischen den Wandlungen automatisch ab, und reduzieren die Verlustleistung linear mit der Abtastfrequenz. Der LTC2383 verbraucht 13 mW bei 1 MSample/s.

Die Pin- und Software-kompatible Familie schließt den LTC2382 (500 kSample/s, 6,5 mW) und den LTC2381 (250 kSample/s, 3,25 mW) mit ein, die eine eigens entwickelte Abtastarchitektur besitzen, mit deren Hilfe der A/D-Wandler mit der nächsten Abtastung bereits während der aktuellen Wandlung beginnen kann. Dies verkürzt die Erfassungszeit der Abtastungen, sodass sich extrem verlustleistungsarme Treiberbausteine für die A/D-Wandler einsetzen lassen, was wiederum die Gesamtverlustleistung der gesamten Datenerfassung reduziert.

Die LTC2383-Familie bietet auch explizite Busy- und Chain-Pins, um die digitale Schnittstelle zum Mikroprozessor zu vereinfachen. Die Bausteine eignen sich für Mehrkanal-Applikationen, in denen geringe Verlustleistung und kompakte Ausmaße besonders wichtig sind, zum Beispiel bei optischen Gebern, die in chirurgischen Geräten benutzt werden. Ist ein größerer Dynamikbereich erforderlich, bietet die 16-Bit-A/D-Wandler-Familie »LTC2393« mit 250 kSample/s bis 1 MSample/s einen voll differenziellen Eingangsbereich von ±4,096 V (Spitze-Spitze) mit 94 dB SNR, zusammen mit einer integrierten Präzisionsreferenz mit maximal 10 ppm/K.

Der Baustein eignet sich für Blut- und Flüssigkeitsanalysen und auch Pulsoximetrie-Anwendungen, die eine hoch integrierte Lösung erfordern. Die Verlustleistung beträgt 135 mW bei 1 MSample/s, und diese Wandlerfamilie bietet eine Auswahl an parallelen und seriellen Schnittstellen. Neu ist der »LTC2379-18«, ein latenzfreier 18-Bit-SAR-A/D-Wandler mit 1,6 MSample/s Abtastrate mit einem SNR von 101 dB im Basisband und einem Verbrauch von 23 mW.

Einstellen des Eingangsbereichs auf ±500 mV unter voller Skalierung interpretiert der A/D-Wandler als Vollskalen-Eingangspegel und nutzt alle digitalen Codes mit nur einer minimalen Reduzierung der SNR. Diese digitale Kompressionstechnik erlaubt den Einsatz von A/D-Wandler-Treiberbausteinen mit nur einer Versorgungsspannung und eliminiert damit die Kosten für die Erzeugung der negativen Versorgungsspannung. Insgesamt bietet diese Technik eine verlustleistungsärmere Lösung. Um diese AC-Leistung zu erzielen, wird der schnell einschwingende und rauscharme 16-Bit- und 18-Bit-A/D-Wandler-Treiberbaustein »LT6350« empfohlen.