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Micropower-Operationsverstärker Treiberlösung wahrt SNR-, THD- und Offsetwerte des ADC

Operationsverstärker, die als Treiber für 18-Bit A/D-Wandler (ADCs) eingesetzt werden, nehmen in der Regel genau so viel Strom auf wie der ADC selbst, und ihr maximaler Offset ist häufig sogar deutlich größer als der des ADC. Werden mehrere ADC-Kanäle benötigt, erreicht die auf diese Treiber entfallende Leistungsaufnahme häufig inakzeptabel hohe Werte.

Linear Technology Design Note 541
Linear Technology Design Note 541
(Bild: Linear Technology)

Wenn in Bezug auf SNR, THD und Offsetspannung (VOS)18-Bit-Genauigkeit gefordert wird, die Abtastraten aber nicht hoch sind und die Eingangssignale überdies von geringer Frequenz sind oder es sich gar um DC-Signale handelt, kommt der hier vorgestellte Puffer als Treiber für den 8-kanaligen 18-Bit Simultaneous Sampling ADC LTC 2348-18 in Frage. Seine Performance entspricht den typischen Kenndaten in Sachen SNR, THD und Offsetspannung, und seine Leistungsaufnahme ist außerdem sehr gering.

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Schaltungsbeschreibung

Der Der LTC2348-18 ist ein rauscharmer, 8-kanaliger, nach dem SAR-Verfahren (Successive Approximation Register) arbeitender Simultaneous Sampling 18-Bit-ADC mit einem großen eingangsseitigen Gleichtaktbereich. Bei einem Eingangsspannungsbereich von ±10,24 V kommt der LTC2348-18 auf einen typischen THD-Wert von -109 dB und einen SNR von 96,7 dB (typ.) bei einem Offset von ±550 µV (max.). Dabei nimmt der Baustein nur 140 mW (typ.) bei 200 kSPS auf. Wird er mit der Abtastrate von 10 kSPS betrieben, die für die hier beschriebene Anwendung erforderlich ist, reduziert sich die Leistungsaufnahme des ADC mithilfe seines NAP-Modus auf typisch 45 mW.

Der LT6020 ist ein zweikanaliger Präzisions-Operationsverstärker mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 5 V/µs und Rail-to-Rail-Ausgang. Der Baustein mit einer Eingangs-Offsetspannung von unter 30 µV (max.) nimmt pro Verstärker nur 100 µA (max.) auf.

In der in Bild 1 gezeigten Schaltung steuert der als nicht invertierender Puffer konfigurierte Operationsverstärker LT6020 die analogen Eingänge des LTC2348-18 an. Die maximale Verlustleistung pro Operationsverstärker beträgt lediglich 3 mW, was sich für alle acht Kanäle auf nur 24 mW summiert. Dies ist etwa die Hälfte der Leistungsaufnahme des ADC bei 10 kSPS.

Das RC-Filter am Ausgang des Puffers minimiert den Rauschbeitrag des LT6020 und verringert die Auswirkungen der vom Multiplexer und dem eingangsseitigen Abtastkondensator verursachten Abtasttransiente. Für die gewählte RC-Zeitkonstante sollte der Widerstandswert so niedrig wie möglich gewählt werden, um den Spannungsabfall an diesem Widerstand zu verringern. Dies hat einen Verstärkungsfehler zur Folge, wenn dem Filterausgang nicht die Möglichkeit gegeben wird, sich vollständig einzuschwingen.

Der Widerstandswert muss andererseits ausreichend hoch gewählt werden, um ein übermäßiges Schwingen am Ausgang des Operationsverstärkers zu unterbinden, das die Einschwingzeit verlängern und die Verzerrungen erhöhen würde.

Der LTC2348-18 akzeptiert beliebige differenzielle Eingangssignale, die über einen weiten Gleichtaktbereich schwingen. Differenzielle Signale lassen sich mit zwei Unity-Gain-Verstärkern puffern und an die positiven und negativen analogen Eingänge leiten. Pseudo-differenzielle, auf einen niederohmigen Knoten (z. B. die Masse) bezogene Eingangssignale erfordern lediglich einen Pufferverstärker. Dieser zweite Fall liegt in der Schaltung von Bild 1 vor.

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