Gängige Topologien für AFEs sind oft für einen Anwendungsbereich ausgelegt. Neue Modelle mit integrierten programmierbaren Verstärkern setzen dagegen auf mehr Flexibilität.

Bild: Thomas Reimer - Adobe Stock

Analoge Frontends (AFE) werden überall dort eingesetzt, wo es gilt, hochsensible analoge Signale beispielsweise von analogen Sensoren zu verstärken und in digitale Signale umzuwandeln. Das AFE von JRC vereint mehrere Funktionen in einem Modul: Dies sind ein programmierbarer Instrumentenverstärker mit zwei volldifferenziellen Eingängen, ein Sigma-Delta-basierter A/D-Wandler (ADC), eine digitale Schnittstelle zur Kommunikation mit der MCU und ein Konfigurationsregister.

Mit hoher differentieller und integraler Linearität verarbeitet der AFE nahezu jedes analoge Signal im µV- oder mV-Bereich mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und geringer Verzerrung. Damit eignet es sich für Anwendungen im Embedded- und IoT-Bereich, etwa in Drucksensoren oder Batteriediagnose für kleinste Signale im AC-Bereich, wie etwa gleichspannungsfreie Signale bei der AC-Impedanzmessung.

Analoge Frontends verstärken einerseits Sensorsignale und wandeln sie andererseits in digitale Signale um. Es gibt jedoch bestimmte Anforderungen, die Entwickler bei der Verwendung von AFEs berücksichtigen sollten. Dazu gehört beispielsweise der Operationsverstärker, aber auch die Wahl des Wandlers ist entscheidend. Allerdings greifen Entwickler häufig auf integrierte Lösungen zurück, die verschiedene Funktionen vereinen.

Operationsverstärker (OPs), die in analogen Frontends verwendet werden, sollten immer die folgenden Parameter haben:

Grundsätzlich gibt es drei Topologien für Operationsverstärker:

Der NJU9103 ist ein analoges Frontend (AFE) mit integriertem PGA (Programmable Gain Amplifier), das analoge Signale mit einer Verstärkung von G-512 verarbeiten kann. Rutronik

Neben der Wahl der OPs und der entsprechenden Topologie ist es wichtig, die Verteilung des Verstärkungspegels zu bestimmen. Sie hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem gewünschten Gain-Bandbreite-Produkt (GBP), der Verstärkung des Ausgangsfehlers der verwendeten OPs und der Begrenzung der Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche der ersten und zweiten Stufe. Wenn die Schaltung mit hoher Verstärkung oder niedriger Versorgungsspannung arbeitet, wird es schwierig, hier einen guten Kompromiss zu finden.

Nachdem der Operationsverstärker das Sensorsignal analog verstärkt hat, wandelt ein A/D-Wandler es in ein digitales Signal um. Entwickler müssen seine Bitauflösung entsprechend der gewünschten Genauigkeit der Anwendung und der Referenzspannung wählen. Bei 4.096 V erreicht beispielsweise ein 12-Bit-A/D-Wandler eine Genauigkeit von 1 mV.

Entwickler müssen auch das Abtasttheorem von Nyquist-Shannon berücksichtigen. Dies besagt, dass die maximale Signalfrequenz kleiner als die Hälfte der maximalen Abtastrate sein sollte. Daraus folgt, dass das Eingangssignal durch geeignete Filterung bandbreitenbegrenzt werden muss. Bei der Quantisierung der analogen Signalfrequenz treten auch Quantisierungsfehler auf. Um diese möglichst gering zu halten, sollten Entwickler eine hohe Quantisierung, also eine hohe Abtastrate wählen. Dies muss bei SAR-A/D-Wandlern (Successive Approximation Register) berücksichtigt werden, bei Sigma-Delta-A/D-Wandlern ist dies jedoch aufgrund des hohen Oversamplings unkritisch.

Bei all diesen Anforderungen und Rahmenbedingungen ist es oft besser, auf eine fertige, integrierte Lösung zurückzugreifen. Denn integrierte Lösungen erzielen nicht nur eine höhere Präzision, sondern reduzieren auch den Entwicklungsaufwand und die Kosten. Gerade im Bereich der präzisen Sensorsignalverarbeitung ist eine solche Lösung meist unumgänglich. Präzision bedeutet hier das Erreichen einer maximalen Verstärkungslinearität unabhängig vom Verstärkungsfaktor, der Gleichtaktkomponente des Sensorsignals und der Temperatur.

Zusammen mit einer MCU und einem Display kann der NJU9103 auch als Oszillator fungieren. Rutronik

Eine Lösung mit integriertem PGA (Programmable Gain Amplifier) ​​ist beispielsweise der NJU9103 von JRC. Das analoge Frontend kann analoge Signale mit einer Verstärkung von G = 512 verarbeiten. Aufgrund seines großen Eingangsspannungsbereichs und der hohen Abtastrate kann es auch sehr kleine Sensorsignale im µV- und mV-Bereich sowie Signale im Eingangsbereich verstärken und verarbeiten im 100 mV-Bereich, bis hin zu Signalfrequenzen im kHz-Bereich. Zusammen mit seinen vielfältigen Einstellmöglichkeiten bietet er eine gute Verstärkung für Druck- und Durchflusssensoren und ist auch für Thermostate, digitale Anzeigegeräte, SPS- und SPS-Anwendungen geeignet. Zur Flexibilität trägt neben dem großen Eingangsspannungsbereich auch das kompakte Gehäuse (DFN8 / SSOP8) bei.

Der interne 16-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler (ADC) des Frontends von JRC hat Abtastraten von 0,814 ksps bis 6,51 ksps, er hat einen Single-Ended-, einen differentiellen und einen pseudo-differentiellen Eingang. Einer der Vorteile von Sigma-Delta-A/D-Wandlern ist ihre Oversampling-Architektur. Oversampling bedeutet, dass die Abtastfrequenz des geschalteten Integrators (Sigma) und die Taktfrequenz des Modulators ein extrem hohes Oversampling darstellen. Dies hat zwei Effekte: Zum einen wird das Rauschen auf ein breiteres Frequenzband verteilt. Andererseits dient es als Alternative zu einem aufwendigeren und teureren Anti-Aliasing-Filter, wie es typischerweise für SAR-ADCs notwendig ist. Aufgrund einer deutlich höheren Abtastfrequenz als vom Abtasttheorem gefordert, reicht meist ein einpoliger Tiefpassfilter aus. Als Ergebnis erreichen diese Wandler gute Rausch- und Genauigkeitsspezifikationen.

Angeschlossen an ein Display gibt das Messsystem verschiedene Messwerte aus. Rutronik

Der PGA stellt außerdem sicher, dass der ADC immer im idealen Dynamikbereich arbeitet. Wenn die Verstärkung beispielsweise 128 beträgt und der Sensor-Offset 10 mV beträgt, würde der PGA innerhalb der Grenzen arbeiten. Um dies zu vermeiden, erzeugt eine interne Referenzspannung eine Kompensationsspannung, die der Offsetspannung des Sensors entgegengesetzt ist. Dadurch wird der PGA-Ausgang wieder in den dynamischen Bereich gebracht. Der NJU9103 ist das einzige verfügbare AFE mit Sensor-Offset-Kompensation.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der hohen HF-Störfestigkeit, die zu deutlich weniger Fehlfunktionen durch hochfrequentes Rauschen wie beispielsweise von Mobiltelefonen führt. Hinzu kommen die einfache Konfiguration und die schnelle Datenrate von mehr als 1 ksps, die viele Möglichkeiten zur Verarbeitung hochfrequenter Messsignale bietet. Zudem ist das NJU9103 das erste AFE mit einem PGA, das eine Verstärkung von mehr als 256 und maximal 512 erreicht. Aktuelle Lösungen anderer Hersteller erreichen nur einen Faktor von 128.

Der Clou des NJU9103: Zusammen mit einem Mikrocontroller kann er ein Oszilloskop für niederfrequente Signale ersetzen: Mit den dazugehörigen Evaluation Boards des Frontends und des Mikrocontrollers und nur wenigen passiven Komponenten lassen sich Signalanalyse und Signalsynthese realisieren. Über ein angeschlossenes Display kann das Sinussignal visualisiert werden – ein smartes Konzept zu geringen Kosten.

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