Die Nachfrage nach hochgenauen Messungen mit einer Auflösung von mehr als 24 Bit steigt in verschiedenen Branchen. Dies erfordert nicht nur einen entsprechend präzisen Analog-Digital-Wandler, sondern auch die Referenzspannung muss äußerst rauscharm sein. Was ist zu beachten?

Der Bedarf an hochpräzisen Messungen steigt ständig. Um nur ein Beispiel zu nennen, setzt die pharmazeutische Industrie Laborwaagen ein, die über den gesamten Messbereich von 2,1 g eine Auflösung von 0,0001 mg bieten, weshalb ein Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer Auflösung von über 24 Bit verwendet wird erforderlich. Das Kalibrieren und Testen dieser hochpräzisen Systeme stellt die Messtechnik-Industrie vor die Herausforderung, Prüfmittel anzubieten, die eine Auflösung von mehr als 25 Bit bei mindestens 7,5-stelliger Messgenauigkeit erreichen.

Um eine so hohe Auflösung zu erreichen, muss das Rauschen in der gesamten Signalkette außergewöhnlich gering sein. Abbildung 1 zeigt, wie das Rauschen von der effektiven Bitzahl (ENOB) und dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) abhängt. Das Rauschen wird auf der Grundlage einer Referenzspannung VREF von 5 V und einem ADC-Eingang berechnet, der auf den vollen Skalenbereich eingestellt ist. Um eine Auflösung von 25 Bit bzw. einen Dynamikbereich von 152 dB zu erreichen, darf der Effektivwert für das Systemrauschen daher 0,2437 µV nicht überschreiten.

Die Spannungsreferenz definiert den Schwellenwert für das analoge Eingangssignal, den der ADC auflösen kann. Die folgende Gleichung zeigt die ideale Übertragungsfunktion eines solchen Moduls. Der Ausgabecode - in dezimaler Form - wird aus dem analogen Eingangssignal VIN, der Spannungsreferenz VREF und der Anzahl der ADC-Bits N berechnet:

Die im Datenblatt des ADC angegebene Auflösung wird normalerweise mit einer kurzgeschlossenen Eingangstechnik bestimmt, bei der der Eingang des Geräts mit Masse verbunden ist oder die Differenzeingänge mit einer gemeinsamen Quelle verbunden sind. Diese Technik hilft, die absolute Auflösungsgrenze zu bestimmen, indem das Rauschen sowohl vom ADC-Eingang als auch von der Spannungsreferenz unterdrückt wird. Dies liegt daran, dass VIN auf 0 V eingestellt ist, was bedeutet, dass das Verhältnis von VIN zu VREF null ist.

Um die Auswirkungen des Rauschens der Spannungsreferenz auf das Gesamtsystemrauschen zu untersuchen, zeigt Abbildung 2 den Zusammenhang zwischen dem Gesamtsystemrauschen (Effektivwert) und der Gleichspannung am ADC-Eingang. Für diesen Test haben wir den 32-Bit-ADC AD7177-2 verwendet, dessen VREF-Eingang an den LTC6655-5 (5 V) und dessen ADC-Eingang an eine rauscharme Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Die Datenrate auf der Ausgangsseite des ADC wurde auf 10 kSPS (Kilo-Sample pro Sekunde) eingestellt.

Dabei ist zu beachten, dass das Rauschen am ADC über seinen gesamten Eingangsspannungsbereich konstant bleibt (35 nV / Hz), während das Rauschen an den DC-Eingängen des ADC zunimmt (≤6 nV / √Hz). Dieser Wert bleibt jedoch im Vergleich zum Rauschen der Spannungsreferenz niedrig (96 nV / √Hz).

Wie in Abbildung 2 gezeigt, ist das Gesamtrauschen proportional zur Gleichspannung am Eingang des ADC. Der Grund dafür ist, dass mit steigendem VIN das Verhältnis VIN / VREF zunimmt und somit das VREF-Rauschen das Gesamtrauschen des Systems dominiert, wenn der ADC-Eingang auf Vollaussteuerung eingestellt ist. Das Rauschen jeder einzelnen Komponente in der Signalkette wird über die Quadratwurzelsumme (RSS) addiert und ergibt die Kurvenform in Bild 2.

Um eine hohe Messauflösung von 25 Bit oder mehr zu erreichen, benötigen selbst die besten separaten Spannungsreferenzen auf dem Markt mit einer rauscharmen Spezifikation etwas Hilfe, um das Rauschen zu dämpfen. Eine externe Schaltung wie ein Filter kann das Rauschen soweit dämpfen, dass der gewünschte Dynamikbereich des ADC erreicht wird.

Der Rest dieses Artikels erklärt verschiedene Arten von Tiefpassfiltern und wie sie verwendet werden können, um das Spannungsreferenzrauschen zu reduzieren. Hier werden Filterdesigntechniken und Kompromisse zwischen Filtern diskutiert. Zwei in diesem Zusammenhang diskutierte Arten von Tiefpassfiltern sind einfache passive RC-Tiefpassfilter und aktive Tiefpassfilter mit Signalflussdiagrammen. Dieser Artikel schließt mit den Ergebnissen der Systembewertung mit einem Sigma-Delta-ADC.

Abbildung 3 zeigt eine Spannungsreferenz, die einen ADC über einen Tiefpassfilter versorgt. Dieser besteht aus einem externen Speicherkondensator C1, seinem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und der Ausgangsimpedanz eines Pufferverstärkers R0 für die Spannungsreferenz. Die Eckfrequenz des passiven RC-Tiefpasses wird bestimmt durch

Dementsprechend ist die Bandbreite umgekehrt proportional zum Widerstand R und der Kapazität C.

Der Kondensator C1 dient auch als lokaler Energiespeicher zum Glätten von Spannungsspitzen. Diese können auftreten, wenn die Spannungsreferenzschaltung des ADC den Laststrom plötzlich ändert. Abbildung 4 zeigt das dynamische Verhalten des Referenzstroms des Sigma-Delta-ADC AD7177-2 und des SAR-ADC (Successive Approximation Register) AD7980.

Der Wert des Kondensators C1 kann vom Benutzer so gewählt werden, dass er die Anforderung an die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters erfüllt. Einige SAR-ADCs benötigen jedoch einen Kondensator von mindestens 10 µF am Referenzeingang, um korrekt zu funktionieren. Dieser Mindestwert verringert die Phasenreserve des Referenzpuffers und mit abnehmender Phasenreserve ist die Rückkopplung des Puffers nicht mehr negativ [1]. Die Signale nahe der Eckfrequenz (3 dB-Punkt) mit Eins-Verstärkung werden phasengleich mit den eingehenden Signalen rückgekoppelt. Als Ergebnis erzeugt das Steuersystem einen Störimpuls nahe der Eckfrequenz [1].

Da sich die Bandbreite von der Eckfrequenz bis 16 MHz erstreckt, dominiert diese Störspitze das gesamte integrierte Rauschen (Effektivwert). Obwohl der Kondensator C1 der Spannungsreferenz als Rauschfilter wirkt und Spannungsspitzen kompensiert, stellt diese Rauschspitze den größten Störfaktor dar. Abbildung 5 zeigt die Störspitze der Spannungsreferenz LTC6655, die von C1 eingeführt wird. Die Höhe des Störimpulses wird durch den Wert des Kondensators und seinen ESR bestimmt.

Die Spannungsreferenzen sind in der Regel mit einer komplexen Ausgangsstufe ausgestattet, um eine große kapazitive Last ansteuern zu können, wie dies bei ADC-Referenzschaltungen oft erforderlich ist. So ist beispielsweise die Ausgangsstufe des LTC6655 so ausgelegt, dass sie bei einer Speicherkapazität von 10 µF kritisch gedämpft wird. Wird die Speicherkapazität des Bauteils auf den Minimalwert von 2,7 µF oder den Maximalwert von 100 µF eingestellt, treten Störspitzen auf.

Der äquivalente Serienwiderstand ESR von C1 dämpft den primären Störimpuls, führt jedoch einen sekundären Störimpuls bei 100 kHz und darüber ein. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der ESR des Kondensators eine Null einfügt, was die Phasenreserve erhöht und den Primärimpuls reduziert. Diese Null verbindet sich jedoch mit der inhärenten Null des LTC6655 und erzeugt einen sekundären Glitch. (Wichtig: Das Rauschverhalten in Abbildung 5 gilt nur für den LTC6655.)

Eine der anderen Lösungen, um das Rauschen der Spannungsreferenz zu filtern, den Glitch zu beseitigen und den ADC korrekt zu steuern, besteht darin, einen zusätzlichen Pufferverstärker zwischen den passiven RC-Tiefpassfilter zu schalten (Abb. 6). Dadurch können die konstruktiven Einschränkungen des Tiefpassfilters und des Eingangskondensators der ADC-Referenzspannung voneinander entkoppelt werden.

Wird die Eckfrequenz des passiven RC-Tiefpassfilters mit Eins-Gain deutlich unterhalb der Übergangsfrequenz eingestellt, werden nicht nur das breitbandige und tieffrequente Rauschen reduziert, sondern auch Störspitzen vermieden. Abbildung 7 zeigt beispielhaft das Rauschverhalten des LTC6655 mit C1 = 100 µF (ESR = 0 Ω), gefolgt von einem passiven Tiefpass mit R = 10 kΩ und C2 = 10 µF (ESR = 0 Ω), wodurch ein Pol entsteht bei 1,59 Hz entsteht.

Durch Erhöhen des Widerstands R des Tiefpassfilters kann die Eckfrequenz verringert werden, aber auch die Genauigkeit der Präzisionsspannungsreferenz kann sich verschlechtern. Wenn der Benutzer einen passiven RC-Tiefpass hinzufügt, muss er auch die Konsequenzen für die Lastregelung und das VREF-Pufferverhalten (τ = R ∙ C) berücksichtigen, da dies das Einschwingverhalten des ADC während der Regelung beeinflusst.

Um die erforderliche transiente Leistung zu erreichen, wird empfohlen, einen Puffer zu verwenden (Abbildung 6). Zu den wichtigsten Anforderungen, die bei der Auswahl zu berücksichtigen sind, gehören extrem geringes Rauschen, die Fähigkeit, hohe kapazitive Lasten zu unterstützen, geringe Verzerrung, hervorragende Anstiegsgeschwindigkeit und große Verstärkungsbandbreite. Empfehlungen für Referenzpuffer sind ADA4805-1 und ADA4807-1.

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

NAND Flash - immer höhere Speicherkapazitäten durch Miniaturisierung und 3D!

© 2021 WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten.