Analogtipp

Echter 100-µV-Effektivwert/Gleichspannungswandler

26.09.12 | Autor / Redakteur : Chau Tran und David Karpaty * / Kristin Rinortner

Bild 1: Ein einfacher echter Effektivwert/Gleichspannungswandler für extrem kleine Eingangsspannungen
Bild 1: Ein einfacher echter Effektivwert/Gleichspannungswandler für extrem kleine Eingangsspannungen

Die Gleichspannungswandlung kleiner Signale ist problematisch. Um hier die Genauigkeit zu verbessern, kann man entweder den Dynamikbereich verschieben oder einen Offset erzeugen. Mit dem AD8436 lässt sich das Low-Level-Eingangsproblem einfach lösen.

Ein Wechselspannungssignal wird in der Regel als Effektivwert (engl. root mean squre; RMS) gemessen. Der Effektivwert gibt denjenigen Wert des Gleichstroms an, der an einer ohmschen Last in einer repräsentativen Zeit dieselbe elektrische Energie, d.h., im zeitlichen Mittel dieselbe elektrische Leistung, umsetzt. Mathematisch wird der Effektivwert als quadratischer Mittelwert einer zeitlich veränderlichen physikalischen Größe beschrieben.

Falls das Eingangssignal klein ist, wird das Quadrat noch kleiner. Um den Dynamikbereich zu erhöhen, teilen alle Effektivwert/Gleichspannungswandler durch den Mittelwert des Ausgangs. Leider wird dies zu einem Problem, wenn der Ausgang Null ist oder in der Nähe von Null liegt. Kein Effektivwert/Gleichspannungswandler arbeitet gut im Bereich von Null. Dies ist auf den Fehler beim Teilen durch Null zurückzuführen, denn mathematisch ist eine Division durch Null nicht erlaubt.

Hinzu kommt, dass die Berechnung des Effektivwerts von Signalen mit sehr kleinen Pegeln aufgrund der Anstiegsratenbegrenzung im Präzisionsgleichrichter problematisch ist. Auch der Absolutwert, von dem das bipolare Signal in ein unipolares Signal gewandelt wird, trägt zu Fehlern bei. Anwender müssen daher hinterfragen, welches minimale DC- oder AC-Signal erfolgreich in einen Effektivwert gewandelt werden kann.

Zwei Möglichkeiten, kleine Signale sinnvoll zu wandeln

Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, besteht darin, den Dynamikbereich des Eingangssignals zu verschieben. Dazu wird das Signal mit einem konstanten Faktor verstärkt. Ein Operationsverstärker mit integriertem FET-Eingang wird für diese Aufgabe oft eingesetzt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Strom in den Schaltkreis zu „injizieren“. Damit wird ein Offset (normalerweise 5 mV) erzeugt, der sehr kleine Eingangssignale vermeidet.

Diese zusätzliche, vorhersagbare VOS, sollte vom Effektivwert abgezogen werden. Beide Konzepte sind kompliziert. Der AD8436 bietet eine einfache Möglichkeit, dieses Low-Level-Eingangsproblem zu lösen (Bild 1).

Mit einem nutzbaren Dynamikbereich von 100 µV bis 3 V weist diese Schaltung eine AC-Wandlungsgenauigkeit von besser als ±0,5% auf. Eine einheitliche Einschwingzeit für stark variierende Eingangswerte von fast Null bis hin zu hohen Wechselspannungswerten ermöglicht konsistente Wandlungsraten.

Die auf dem Chip integrierten FET-Eingangspuffer, RMS-Core und Präzisions-DC-Ausgangsverstärker bewirken einen Gesamt-Ruhestrom von 500 µA. Dies prädestiniert die Schaltung für batteriegespeiste Applikationen.

Gleichspannungswandlung mit Signalen unter 100 µV

Da diese Schaltung für Effektivwert/Gleichspannungswandlungen genutzt werden kann, können Signale unter 100 µV verwendet werden und sind damit für Low-Level Applikationen geeignet. Die Schaltung bietet eine Leistungsfähigkeit, die mit teuren Hybrid- und Wandlermodulen vergleichbar ist und arbeitet auch dann, wenn Sigma/Delta-Wandler und andere nichtlineare Lösungen nicht funktionieren.

Mit einem großen Versorgungsspannungsbereich berechnet die Schaltung ein genaues Äquivalent des Effektivwertes von AC-Signalverläufen und liefert an den Ausgang (OUT) ein Gleichspannungssignal mit einer Verstärkung von 11. Der Einsatz des Eingangspuffers ist optional. Der Präzisions-Ausgangspuffer hat bipolare Eingänge, eine niedrige Offsetspannung und niedrigen Versorgungsstrom.

Übertragungsfunktion nahe 0 V

Die Effektivwert/DC-Übertragungsfunktion nahe 0 V ist konstant bei einer monotonen Übertragungsfunktion bis hinunter zur Offsetspannung des RMS-Kerns. Im Gegensatz zu Sigma/Delta-Wandlern und anderen Lösungen, deren LSB die Abtastung bei großen oder kleinen Amplituden begrenzen, kann diese Schaltung unter 100 µV und über 3 V genutzt werden.

Bei extrem kleinen sinusförmigen Eingangsspannungen ist der Frequenzverlauf dieser Schaltung auch besser als der von digitalen Alternativen. Eine 3-dB-Bandbreite von 2 kHz wird bei einem Signal von 300 µVss erreicht und 400 Hz bei einem Signal von 50 µVss. //KR

* * Chau Tran und David Karpaty... arbeiten als Applikationsingenieure bei Analog Devices in Wilmington, USA.

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