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Bild 1: Versorgt man den LT6350 mit +7 V und -2 V gibt es genügend Spielraum an jedem ADC-Eingang von 0 V bis 5 V.
Bild 2: Der differenzielle Operationsverstärker LTC6362 erzielt eine Linearität von über 110 dB selbst dann, wenn jeder Ausgang bis auf 250 mV bis zur nächsten Rail schwingt.
Bild 3: Der LTC6360 hat eine interne on-chip-Ladungspumpe, die eine kleine negative Biasspannung on-chip erzeugt, die die Ausgangsstufe versorgt. Auf diese Weise kann der Ausgang komplett auf 0 V schwingen ohne nahe an Verzerrungen zu kommen.
Bild 4: Durch invertierende Konfiguration des ersten Operationsverstärker des LT6350 ändert sich die Eingangsspannung des ICs nicht, selbst wenn ein ±10-V-Signal anliegt.

Komplettes Angebot an Verstärkerlösungen

Wer ist nicht begeistert über die 18 Bit auflösende SAR-AD-Wandler-Familie von Linear Technology mit einem Signal/Rausch-Verhältnis von mehr als 101 dB. Aber bekommen Sie alles, wofür Sie bezahlt haben? Das Unternehmen verfügt über ein komplettes Angebot an Verstärkerlösungen, die die erforderlichen Signale bieten, um leistungsfähige 16- und 18-Bit-AD-Wandler anzusteuern.

Das Signal to Noise Ratio (SNR, Signal/Rausch-Verhältnis) eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) ist definiert als das Verhältnis des größten Signals, das der ADC verarbeiten kann, zum Grundrauschen des ADCs. Um ein SNR von bis zu 102 dB zu erzielen, spezifiziert die LTC2379-Familie einen differentialen Eingangsbereich von 10 VSS, was einem Eingangsspannungshub oder auch Swing genannt von je 0 V bis 5 V entspricht.

Am Eingang des ADCs befindet sich ein Verstärker, dessen Aufgabe es ist, eine adäquate Spannungsquelle für die Aufladung der Abtastkondensatoren des ADCs darzustellen. Die Eingänge des ADCs sind die Ausgänge des Verstärkers, das heißt, soll der Eingang des ADCs von 0 V bis 5 V gehen, muss der Ausgang des Verstärkers auch von 0 V bis 5 V reichen.

±15-V-Speisespannung

Das ist einfach, wenn ein großer Versorgungsspannungsbereich verfügbar ist. Zum Beispiel wenn man einen Schaltungsteil im Frontend hat, der mit ±15 V versorgt wird. In diesem Fall kann jeder Operationsverstärker eingesetzt werden, der an solchen Spannungen arbeitet und am Ausgang die 0 V bis 5 V bereitstellt. Man kann beispielsweise den LT1468 einsetzen, um eine brauchbare Kombination aus DC-Genauigkeit und schneller Einschwingzeit zu haben oder den LT1124 für sehr geringe Drift in Kombination mit geringem 1/f-Rauschen, oder den LT6011, wenn Mikropower in einem kleinen Gehäuse gefordert wird.

Falls man den großen ±15-V-Bereich nicht verwenden will, trotzdem aber den kompletten Swing 0 V auf 5 V, lässt sich eine spezielle Versorgungsspannung nur für den letzten Verstärker vor dem ADC einsetzen, zum Beispiel -2 V und +7 V. Das Referenzdesign des LT6350, das den LTC2379-18 ansteuert, bewerkstelligt exakt dieses (Bild 1). Die +7-V-Versorgung ist auch geeignet, eine 5-V-Referenz zu versorgen.

5-V-Speisespannung

Was aber wenn man den Verstärker aus einer 5-V-Versorgung speisen muss? Man möchte annehmen, dass man bei einem Rail-to-rail Operationsverstärker mit einfachen 0 V bis 5 V auskommt, dem ist aber nicht so. Rail-to-rail-Ausgänge sind nicht echt Rail-to-rail. Im günstigsten Fall reichen sie bis 10 mV an die Rail-Spannung heran, verbunden mit hartem Clipping und manchmal langer Sättigungserholungszeit. Wird hohe Linearität (geringe Verzerrung) gefordert, muss die Ausgangsspannung mindestens einige 100 mV Abstand von der Rail-Spannung haben. Der LTC6362 zum Beispiel ist ein differenzieller low power Operationsverstärker, der an einfachen 5 V arbeitet (Bild 2). Seine Ausgänge können bis 100 mV von jeder Rail schwingen, dabei erreichen sie eine Linearität von über 110 dB innerhalb 250 mV von jeder Rail. Wenn das Design so ausgelegt ist, dass das größte Signal diese Konditionen nicht überschreitet, sind mindestens 90 % der ADC-Codes anwendbar, was bedeutet, dass man bis auf 1 dB im vorgegebenen Dynamikbereich bleibt. In vielen Fällen ist das die beste Lösung. Es ist außerdem gut zu wissen, dass der Verstärker die Eingänge des ADCs nicht übersteuern oder schlimmstenfalls zerstören kann. Das stellt sozusagen einen natürlichen Schutz dar.

Mit Digital Gain Compression

Die LTC2379-Familie bietet ein innovatives Merkmal, genannt Digital Gain Compression (DGC). Mit diesem Merkmal interpretiert der ADC einen Swing von 10 % auf 90 % der Referenzspannung als Vollausschlag. Auf diese Weise schwingt der Verstärkerausgang bei einer 5-V-Referenz nur von 0,5 V bis 4,5 V, und alle 262.144 Codes des 18-Bit-ADCs werden verwendet. Man kann auch die Verstärkung des Frontend so einrichten, um Vollausschlag mit 18-Bit-Auflösung zu bekommen, wenn der Verstärker mit einfachen 5 V auskommt. Obwohl man alle Codes bekommt, ist der Dynamikbereich etwas reduziert, da der analoge Spannungsswing von 10 VSS auf 8 VSS verkleinert ist, wobei das thermische Rauschen gleich bleibt. Bei 18-Bit-ADCs ist das Quantisierungsrauschen generell gering und nur das thermische Rauschen spielt eine Rolle. Als Ergebnis daraus resultiert ein Verlust von 2 dB beim SNR im DGC-Mode. Bei einem 16-Bit-ADC verliert man nur 1 dB beim SNR im DGC-Mode, weil man davon profitiert, dass das Quantisierungsrauschen entsprechend zurückgeht.

Ohne Digital Gain Compression

Die auf Masse bezogene (oder pseudo-differenzielle) LTC2369-Familie unterstützt den Digital Gain Compression nicht. Das Weglassen erfolgte hier absichtlich, da bei auf Masse bezogenen unipolaren Signalen die Performance nahe Null (Nullpunktfehler) oft sehr wichtig ist. Der Nullpunktfehler ist gering, wenn das Signal klein ist. Dabei muss man die feine Auflösung und das geringe Rauschen des high performance ADCs in die Bewertung mit einbeziehen. Bei einem differenziellen ADC wird der Nullpunkt erreicht, wenn beide Eingänge gleichwertig sind. Beim unipolaren auf Masse bezogenen ADC wird dagegen der Nullpunkt erreicht, wenn das Eingangssignal Massepotenzial hat. Der Verstärker muss also bis auf Massepotenzial herunter schwingen. Ist keine negative Versorgung vorhanden, kommt der LTC6360 zur Hilfe. Dieser rauscharme, DC-präzise und schnelle Operationsverstärker hat eine internen on-chip Ladungspumpe, die eine kleine negative Biasspannung on-chip erzeugt, die die Ausgangsstufe versorgt. Auf diese Weise kann der Ausgang komplett auf 0 V schwingen ohne nahe an Verzerrungen oder Clipping zu kommen. Auf der High-side kann der Ausgang des LTC6360 bis auf 4,5 V schwingen. Man kann entweder das als größtes Signal festlegen und kommt so auf 1 dB vor Vollausschlag bei einer 5-V-Referenz. Oder man setzt eine 4,096-V-Referenz ein und geht bis Vollausschlag. Diese Lösung arbeitet komplett an einfachen 5 V sogar einschließlich der Referenz (Bild 3).

Begrenzungen des Eingangsswings

Alles bisher Besprochene schließt ein, dass der Ausgangsswing des Operationsverstärkers den ADC treibt. Als nächstes müssen die Begrenzungen des Swings am Eingang berücksichtigt werden.

Manchmal soll der letzte Operationsverstärker vor dem ADC nur als Puffer fungieren, ohne jede Verstärkung oder Pegelanpassung. Beim Operationsverstärker mit Verstärkungsfaktor 1 ist der Swing am Eingang so wie der am Ausgang. Hat man wiederum eine weite Versorgung wie ±15 V, oder -2 V, +7 V zur Verfügung, ist das kein Problem. Will man aber den Operationsverstärker von einfachen 5 V versorgen, ist es verführerisch zu denken, dass alles was man machen muss ist, einen der vielen angebotenen Operationsverstärker mit Rail-to-rail-Eingang auszusuchen und die Schaltung wird funktionieren. Rail-to-rail-Eingangsstufen sind aber aus zwei parallelen Eingangsstufen zusammengesetzt: eine arbeitet, wenn der Eingang nahe der positiven Rail ist, und die andere arbeitet, wenn der Eingang nahe der negativen Rail (oder Masse) ist. Jede dieser Eingangsstufen hat ihre eigene Offsetspannung. Wandert das Signal von der einen Eingangsstufe zur anderen, gibt es eine Stufe in der Offsetspannung an einem Übergabepunkt. Daraus resultiert eine Nichtlinearität in der Übertragungsfunktion der Schaltung. Da muss man sich durch einen Blick in das Datenblatt vergewissern, ob der Offset für beide Eingangsstufen angepasst ist. Falls nicht, ist die Nichtlinearität zu schlecht für eine 16-Bit- oder 18-Bit-INL-Performance. Auf der anderen Seite hat der LTC6360 ein Offset über den Eingangsbetriebsbereich mit sehr engen Toleranzen. Als Ergebnis bleiben die harmonischen Verzerrungen unter -100 dB, auch wenn das Signal von 0 V auf 4 V schwingt. Der Übergabepunkt ist bei diesem Verstärker bei 3,6 V.

Invertierender Operationsverstärker

Eine alternative Lösung, um die Anforderungen beim Eingangsswing zu milder, ist es, den Operationsverstärker invertierend zu betreiben. Bild 4 zeigt als Beispiel den LT6350, bei dem jeder Operationsverstärker invertiert betrieben wird, so dass die Eingänge das Potenzial etwa in der Mitte der DC-Versorgung haben. Auf diese Weise gibt es kein Problem beim Gleichtaktbetrieb am Eingang. Ein differenzieller Operationsverstärker, wie der LTC6362, ist immer invertierend. Wird er für die Umsetzung von massebezogenen Signalen auf differenzielle Signale verwendet, schwingen die Eingänge des Operationsverstärkers, aber viel weniger als das eigentliche Signal. Es ist zu bemerken, dass in jeder dieser invertierenden Konfiguration die Eingangsimpedanz resistiv ist, deshalb ist sicherzustellen, dass die vorangehende Stufe diesen Widerstand treiben kann.