Schaltungstipp

12 Bit SAR-A/D-Wandler mit einer Leistungsaufnahme unter 5 mW

| Autor / Redakteur: Jakub Szymczak * / Kristin Rinortner

Bild 1: 12 Bit Low-Power-A/D-Wandler mit Treiber und einer Datenrate von 1 MSample/s (vereinfachte Blockschaltung: Nicht alle Verbindungen sind dargestellt)
Bild 1: 12 Bit Low-Power-A/D-Wandler mit Treiber und einer Datenrate von 1 MSample/s (vereinfachte Blockschaltung: Nicht alle Verbindungen sind dargestellt) (Bild: ADI)

In diesem Schaltungstipp stellen wir ein Datenerfassungssystem vor, das weniger als 5 mW zieht und von einer unipolaren Versorgungsspannung von 3 V vesorgt wird. Prädestiniert ist das System damit für portable, batteriegespeiste Anwendungen.

Bei der in Bild 1 gezeigten Schaltung handelt es sich um ein Datenerfassungssystem mit geringer Leistungsaufnahme, aufgebaut mit dem 1 MSample/s schnellen 12-Bit-SAR-A/D-Wandler AD7091R und dem Operationsverstärker AD8031 als Eingangstreiber. Die Schaltung nimmt insgesamt weniger als 5 mW auf und wird mit einer unipolaren Spannung von 3 V versorgt.

Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme und den kleinen Gehäuseabmessungen der gewählten Bauteile ist diese Kombination eine Lösung für portable, batteriegespeiste Systeme, bei denen Energieverbrauch, Kosten und Abmessungen eine entscheidende Rolle spielen. Der AD7091R zieht bei VDD = 3 V einen Strom von 350 μA (typ.). Damit ergibt sich eine Leistungsaufnahme von ~1 mW (typ.). Der AD8031 hat eine Stromaufnahme von 800 μA. Bei 3 V ergibt dies eine Leistungsaufnahme von 2,4 mW (typ.). Die gesamte Leistungsaufnahme des Systems liegt somit bei 1 MSample/s und einem analogen Eingangssignal mit 10 kHz unter 5 mW.

Schaltungsbeschreibung

Zur Maximierung der Leistung benötigen die meisten SAR-A/D-Wandler einen geeigneten Eingangsverstärker für das Analogsignal. Der Treiber isoliert die Quelle von Transienten, die am A/D-Wandler-Eingang beim Umschalten des internen Track-and-hold Schalters von „Hold” auf „Track” erzeugt werden. Der Eingangsverstärker, der den A/D-Wandler treibt, muss sich von diesen Transienten erholen und innerhalb der Erfassungszeit des A/D-Wandlers auf die geforderte Genauigkeit einschwingen.

Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, bei denen die Signalquelle eine hohe Quellenimpedanz hat und geringe Verzerrung sowie ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) verlangt werden. Die Wahl des richtigen Treibers ist somit ein wichtiger Teil des Entwicklungsprozesses.

Der 12-Bit-A/D-Wandler AD7091R eignet sich für unipolare Versorgungsspannungen und verfügt über eine interne 2,5-V-Referenz. Das Bauteil kann an 2,7 bis 5,25 V arbeiten und ermöglicht einen Datendurchsatz von 1 MSample/s. Bei 1 MSample/s beträgt die Gesamt-Leistungsaufnahme des Wandlers bei einem Eingangssignal von 10 kHz etwa 2,3 mW.

Die Leistungsaufnahme verringert sich in Anwendungen mit geringeren Datendurchsätzen. Tabelle 1 zeigt die typische Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Datenrate bei 3 V im Normalbetrieb. Die Tabelle demonstriert darüber hinaus die Reduktion der Leistungsaufnahme, die im Power-Down-Modus erreichbar ist. Mit der Power-Down-Betriebsart lässt sich die Leistungsaufnahme beachtlich reduzieren, wenn der Wandler bei niedrigeren Durchsatzraten betrieben wird.

Der AD7091R befindet sich in einem 3 mm × 2 mm großen LFCSP-Gehäuse mit zehn Anschlüssen. Er wird auch im 3 mm × 5 mm MSOP-Gehäuse mit ebenfalls zehn Anschlüssen angeboten.

Der Operationsverstärker

Der AD8031 ist ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Verhalten an Ein- und Ausgang und geringer Stromaufnahme. Er ist als Treiberverstärker für den AD7091R gut geeignet. Der AD8031 arbeitet an Versorgungsspannungen von 2,7 bis 12 V. Dies ermöglicht das Treiben beider ICs von der gleichen Versorgungsspannung. Der OPV bietet eine Bandbreite von 80 MHz und weist eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 30 V/μs auf. Er schwingt in 125 ns auf 0,1% ein.

Beim Betrieb an einer unipolaren Versorgungsspannung kann sich der Ausgang des AD8031 bis zu 20 mV oberhalb der negativen Versorgung bewegen. Falls Linearität bis auf 0 V Eingang gebraucht wird, benötigt der AD8031 eine zusätzliche negative Versorgungsspannung.

Eine optimale Entkopplung der IC-Versorgungspins in der Schaltung in Bild 1 erfolgt mit Keramikkondensatoren der Kapazitäten von 100 nF und 10 μF. Diese Kondensatoren sollten so nahe wie möglich an die Versorgungspins beider ICs platziert werden.

Auch sollte man sicherstellen, dass das analoge Eingangssignal zum A/D-Wandler die Versorgungsspannung um nicht mehr als 300 mV übersteigt. Falls das Signal diesen Pegel überschreitet, werden die internen ESD-Schutzdioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt und beginnen Strom in das Substrat zu leiten. Eine Diode verkraftet ohne irreversible Schäden am Bauteil maximal 10 mA. Dies lässt sich verhindern, indem man ein Schottky-Diodenpaar zwischen VIN und den Versorgungsleitungen des AD7091R schaltet.

Der AD7091R enthält eine interne 2,5-V-Referenz. Der REFIN/REFOUT-Pin sollte gut entkoppelt werden, um die spezifizierte Leistung zu erreichen. Der typische Wert für den REFIN/REFOUT-Kondensator ist 2,2 μF. Zu beachten ist, dass die interne Referenzspannung extern übersteuert werden kann.

Falls eine externe Referenzspannung verwendet wird, muss der Bereich zwischen 2,7 V bis VDD liegen. Ferner muss sie an den REFIN/REFOUT-Pin angeschlossen werden. Ein typischer Wert für den Entkoppelkondensator ist 1 μF.

Die an den Eingang VDRIVE angelegte Spannung steuert die Logikpegelspannung der seriellen Schnittstelle. Dieser Pin wird an die Versorgungsspannung der Logikfamilie angeschlossen, die sich an den Digitalausgängen des AD7091R befindet. VDRIVE kann im Bereich von 1,8 V bis VDD liegen. Typische Werte für die VDRIVE-Entkoppelkondensatoren sind 100 nF parallel zu 10 μF. Falls die „Busy” Anzeigefunktion benötigt wird, sollte ein Pullup-Widerstand mit 100 kΩ zwischen VDRIVE und dem SDO-Pin geschaltet werden.

Der AD8031, der als Treiber des Analogeingangs am AD7091R verwendet wird, ist als Spannungsfolger konfiguriert. Ein einpoliger RC-Filter folgt dem Treiber-Ausgang, damit das Rauschen reduziert wird. Die Grenzfrequenz des RC-Filters ist auf 660 kHz eingestellt.

Grenzfrequenz des RC-Filters

Je nach Datenrate kann sich dieser Parameter ändern. In Systemen, in denen der AD7091R nicht bei maximaler Datenrate betrieben wird, kann die Grenzfrequenz reduziert werden. Entsprechend der Amplitude des analogen Eingangssignals und des Offsets lässt sich der Operationsverstärker so konfigurieren, dass seine Verstärkung, Dämpfung und Pegelanpassung zum Hub des Eingangssignals im analogen Eingangsbereich des A/D-Wandler passen.

Zu beachten ist die Konvertierungs-Startimpulsbreite = 20 ns beim Sampling und VDD = VDRIVE = 3 V.

Die Bilder 2 und Bild 3 zeigen die integrale Nichtlinearität (INL) und die differenzielle Nichtlinearität (DNL) als Diagramm zur Schaltung. Die INL und DNL beträgt weniger als ±1 LSB.

Bild 4 zeigt die FFT-Daten, berechnet für 8192 Samples, erfasst mit 1 MSample/s und mit einer analogen Eingangsfrequenz von 10 kHz. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist 70,44 dBFS.

Die Schaltung muss auf einer Multilayer-Leiterplatte mit großer Massefläche aufgebaut werden. Sorgfältige Layout-, Masse- und Entkopplungstechniken müssen verwendet werden, um die optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. Werte der Komponenten, die den AD7091R und den AD8031 umgeben, können modifiziert werden, um spezielle Anforderungen von Anwendung und Sensor zu erfüllen.

Zum Beispiel kann der Treiber so konfiguriert werden, dass er die richtigen Werte für Verstärkung und Offset erreicht. Die Grenzfrequenz des RC-Filters kann je nach Abtastfrequenz und Eingangsfrequenz geändert werden. Ein vollständiges Dokumentationspaket inklusive Blockschaltung, Board Layout und Stückliste (BOM) findet man unter folgendem Link.

Der AD7091 ähnelt dem AD7091R und ist im achtpoligen, 2 mm × 2 mm LFCSP-Gehäuse erhältlich. Der AD7091 nutzt die VDD-Versorgungsspannung als Referenz und enthält selbst keine Referenz.

Schaltungsevaluierung und Test

Das Evaluation Board EVAL-AD7091RSDZ dient für die Evaluierung und den Test des AD7091R mit der hier beschriebenen Schaltung. Ein detailliertes Blockschaltbild und Anwenderhinweise befinden sich in der Dokumentation. Ein Funktions-Blockdiagramm des Testaufbaus zeigt Bild 5.

Erforderliche Ausstattung

  • EVAL-AD7091RSDZ Evaluation Board (inklusive Software und 9 V DC Stromversorgung)
  • EVAL-SDP-CB1Z System Demonstration Platform Board
  • Signalgenerator mit geringer Verzerrung, z.B. Agilent 81150A oder Audio Precision System Two 2322
  • Ein PC mit USB 2.0 Port und Windows XP, Windows Vista oder Windows 7 (32 oder 64 Bit)
  • Stromversorgung: 9 V DC (gehört zum Evaluation Board, externe 3 V DC Stromversorgung mit 50 mA)

Aufbau

Vor dem Anschluss der Hardware muss sichergestellt werden, dass die Links am Evaluation Board EVAL-AD7091RSDZ wie folgt positioniert sind:

  • LK1: Position A (wählt den AD8031 als Eingangstreiber)
  • LK2: Position A (verbindet den Eingang bei J5 mit dem Eingangstreiber)
  • LK5: Position A (aktiviert externe VDRIVE-Quelle)
  • LK6: Position B (aktiviert externe VDD-Quelle)

Ab diesem Punkt folgt man der Dokumentation, um die Hardware anzuschließen und die Software zu installieren.

Test der Schaltung

In der Dokumentation zum Evaluation Board findet man die komplette Beschreibung zur Durchführung der verschiedenen in dieser Schaltungsbeschreibung enthaltenen Tests. //

* * Jakub Szymczak... arbeitet als Applikationsingenieur in der Gruppe Präzisions-A/D-Wandler bei Analog Devices in Limerick/Irland.

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