SNR auf 99 dB steigern

Der sehr weite Gleichtaktbereich des LTC2358, kombiniert mit der sehr guten Gleichtaktunterdrückung von minimal 100 dB, ermöglicht es, die analogen Eingänge ohne Herabsetzung beliebig anzusteuern. Beide Kanäle lassen sich beispielsweise in Reihe zusammen schalten, um den Eingangsbereich zu verdoppeln und den SNR um 3 dB zu verbessern. Der Ausgangs-Code der beiden Kanäle wird addiert, um ein Netto-Ergebnis mit einem zusätzlichen Bit für die Auflösung zu produzieren: 17 Bit beim LTC2358-16 oder 19 Bit beim LTC2358-18. Das simultane Abtasten hält die Kanäle im Moment der Abtastung der steigenden Flanke von CNV synchronisiert. Dabei beeinflusst die Genauigkeit der Widerstände die Verstärkung der Kombination nicht, weil jedes zusätzliche, am Kanal angelegte Signal, aufgrund des Fehlers der Widerstandsanpassung exakt vom andern Kanal subtrahiert wird. Die einzige Auswirkung der Fehlanpassung des Spannungsteilers ist, dass nahe am Skalenvollausschlag ein Kanal vor dem anderen in die Sättigung übergeht.

Eine zusätzliche Erweiterung des Analog-Eingangsbereichs ist durch Übersteuern des internen REFBUF-Pins mit der externen 5-V-Referenz des LTC6655-5, einer rauscharmen und präzisen Referenz mit geringer Drift, möglich. Der Analogeingangsbereich für jeden Kanal erweitert sich im selben Verhältnis wie die Referenz von ±10,24 V auf ±12,5 V. Mit dem LTC2358-18 und der externen Referenz haben die mit einem Bereich von ±25 V zusammengeschlossenen Kanäle ein SNR = 100 dB.

Mit Filtern den ADC direkt ansteuern

Anti-Aliasing- oder Rauschfilter an den Analogeingängen eines ADC sind üblich. Die extrem hohe Eingangskapazität Picoampere-Analogeingänge des LTC2358 sind mit einer passiven Weitbereichs-RC-Filterkombination einfach anzusteuern. Diese ist daraufhin optimiert, das analoge Signal zu filtern, anstatt die strengen Anforderungen an die Ansteuerung von konventionellen, nicht gepufferten ADCs zu erfüllen. Dadurch bleibt die DC-Genauigkeit des LTC2358 für Quellimpedanzen größer als 10 kΩ erhalten, die nicht innerhalb der Erfassungsperiode einschwingen. Diese sehr kleine Spannungsspitze ist auch ladungserhaltend, was bedeutet, dass sie nur AC-gekoppelt ist und die gesamte Ladung der Spannungsspitze Null ist und keinen DC-Anteil aufweist.

Bild 3: Einfache RC-Filter, wie hier ein 33-kHz-Tiefpassfilter, reduzieren das Rauschen des zu digitalisierenden analogen Signals.

Bild 3: Einfache RC-Filter, wie hier ein 33-kHz-Tiefpassfilter, reduzieren das Rauschen des zu digitalisierenden analogen Signals. Analog Devices

Der externe Kondensator ist geeignet, um unkompliziert RC-Filter zu realisieren, die das Rauschen des zu digitalisierenden, analogen Signals reduzieren. Ein 33-kHz-Tiefpassfilter lässt sich beispielsweise mit R = 4,02 kΩ and C = 1200 pF aufbauen (Bild 3). Andere Bandbreiten lassen sich durch größere oder kleinere Widerstandswerte realisieren, wobei die Kapazität des Kondensators bei 680 pF bleibt oder erhöht wird.

Wenn sich hochfrequente Interferenzen im MHz-Bereich als problematisch herausstellen, kann ein zusätzlicher, kaskadierter echter Pol bei höherer Frequenz bei deren Unterdrückung helfen. Das zweite RC-Filter kann dabei eine höhere Impedanz aufweisen, um die Belastung des ersten Filters zu reduzieren. Bild 4 zeigt ein Beispiel für den ersten RC-Pol bei 33 kHz mit 2 kΩ und 2,4 nF und den zweiten RC-Pol bei 66 kHz mit 3,57 kΩ und 680 pF. Der Belastungseffekt verschiebt dabei die Pole auf 23 kHz und 94 kHz. Ein störender 10-mV-Ton bei 1 MHz wird mit nur einem Pol bei 33 KHz um 30 dB abgeschwächt. Mit zwei Polen bei 33 kHz und 66 kHz erfolgt eine Abschwächung um 53 dB auf gerade einmal 22 µV.

Erreichen externe Interferenzfrequenzen die Abtastrate des A/D-Wandlers oder wenn Breitband-Sensorrauschen vorkommt, ist ein Filter höherer Ordnung am effektivsten, um das Signal zu bereinigen. Hier empfiehlt sich der  Einsatz eines dreipoligen, aktiven 33-kHz-Sallen-Key-Filters, dessen steile Frequenzantwort beispielsweise einen 10-mV/190-kHz-Störer effektiv eliminiert und effektiver das In-Band-Rauschen unter 100 kHz reduziert.

 

Wie sich die Eigenerwärmung von Thermistoren verhindern lässt und Beispiele für die Ansteuerung des ADCs mit einer vorgespannten Fotodiode und einem ferngesteuerten Sensor beschreibt der Artikel auf der folgenden Seite.

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