Abstract background element. Three-dimensional composition of wa

(Bild: Fotolia)

Entwicklungsingenieure nehmen häufig an, dass die Eingänge von ADCs eine hohe Impedanz besitzen. Direkt abtastende Eingänge von SAR-A/D-Wandlern sind häufig hochohmig, wenn sie nicht abtasten, ziehen aber „Stromspitzen“ zu Beginn einer Abtastung. Im Durchschnitt lässt sich dieses Verhalten als ein grober nichtlinearer Widerstand der umgekehrt proportional zur Größe des Abtastkondensators und der Abtastrate modellieren. Allerdings muss die Signalkette in Reaktion darauf sofort vollständig einschwingen können, bevor die Erfassung endet und eine Wandlung beginnt.

Die gepufferten ADCs der LTC2358-Familie verfügen über Eingänge mit wirklich hoher Impedanz, die die Signalkonditionierung vereinfachen oder auch überflüssig machen. Ist eine Konditionierung nötig, kann sie direkt an die Eingänge des LTC2358 angelegt werden, ohne Rücksicht darauf, ob er einen geschalteten Kondensator auch treiben kann. Im Folgenden erläutert der Beitrag Anwendungen, die die Vorteile der Eigenschaften der LTC2358-Eingänge nutzen.

Differenzielle Kanäle treiben

Eck-Daten

Der gepufferte Mehrkanal-Hochspannungs-SAR-ADC LTC2358 verfügt über Eingänge mit wirklich hoher Impedanz. Dies vereinfacht die Signalkonditionierung, wie sie oft durch Stromspitzen zu Beginn der Abtastung notwendig wird, oder eliminiert diese vollständig. Der Beitrag beschreibt Anwendungen, die die Vorteile der Eingänge des A/D-Wandlers nutzen: das Treiben differenzieller Kanäle, die Aufnahme analoger Signale mit einem verdrillten Leitungspaar, das Übertreiben mit limitiertem Strom und die Verstärkung von Sensorsignalen.

Mit AD/Wandlern wie dem LTC2358 lassen sich acht differenzielle Kanäle mit auf 16 pA gepufferten Eingängen leicht direkt treiben. Jeder Kanal tastet die Spannungsdifferenz (VIN+ – VIN) zwischen seinen analogen Eingangs-Pins über einen weiten Bereich der Gleichtaktspannung ab und dämpft gleichzeitig unerwünschte Signale, wie sie bei den Eingangs-Pins durch die Gleichtaktunterdrückung (CMRR) des A/D-Wandlers eigen sind. Ein weiter Gleichtakteingangsbereich, gekoppelt mit einer großen Gleichtaktunterdrückung (128 dB bei 200 Hz), erlaubt es den analogen IN+/IN-Eingängen mit einem bestimmten Verhältnis zueinander zu schwingen, das erhalten bleibt, wenn jeder Pin zwischen (VEE + 4V) and (VCC – 4V) liegt.

Diese Eigenschaft des LTC2358 ermöglicht es ihm, einen weiten Bereich an Signalhüben zu akzeptieren, einschließlich traditionaler Klassen von analogen Eingangssignalen wie pseudo-differenzial unipolar, pseudo-differenzial echt bipolar und voll differenzial, was die Auslegung der Signalkette vereinfacht. Bild 1 zeigt die typische Anwendung des LTC2358. Bei der Wandlung von Signalen, die über VEE ansteigen, empfiehlt sich die Verwendung von nicht gepufferten A/D-Wandlern wie dem LTC2348.

Bild 1: Acht differenzielle Kanäle lassen sich mit A/D-Wandlern wie dem LTC2358 leicht direkt treiben.

Bild 1: Acht differenzielle Kanäle lassen sich mit A/D-Wandlern wie dem LTC2358 leicht direkt treiben. Analog Devices

Bild 2: Die Ersatzschaltung für differenzielle Analogeingänge; dargestellt ist ein Kanal.

Bild 2: Die Ersatzschaltung für differenzielle Analogeingänge; dargestellt ist ein Kanal. Analog Devices

Die Pico-Ampere-Eingänge der CMOS-Puffer liefern einen hohen Grad an Isolierung von Transienten aus dem Abtastprozess des A/D-Wandlers. Dies bedeutet, dass die meisten Sensoren, Signalkonditionierungs-Verstärker und Filter-Netzwerke mit weniger als 10 kΩ Impedanz die passive analoge 3-pF-Eingangskapazität direkt treiben können. Bild 2 zeigt die Ersatzschaltung für jeden der differenziellen analogen Eingangskanäle.

Die sehr hohe Impedanz von typischerweise > 1000 GΩ der internen Puffer mit Verstärkung 1 reduziert die Anforderungen an das Treiben der externen Verstärker deutlich und erlaubt es, optionale RC-Filter mit einer Impedanz im  kΩ-Bereich und frei wählbare Verzögerungskonstanten für das Anti-Aliasing zu integrieren. Micropower-OPVs mit begrenzter Treiberfähigkeit sind ebenfalls gut geeignet, die analogen Eingänge mit hoher Impedanz zu treiben.

 

Analoge Signale mit einem verdrillten Leitungspaar aufzunehmen, ist mit dem LTC2348 kein Problem. Wie sich dies praktisch umsetzen lässt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Verdrilltes Leitungspaar, beliebig lang

Eine einfache, aber sehr nützliche Anwendung der gepufferten Analogeingänge von A/D-Wandlern ist die Fähigkeit, analoge Signale von einem verdrillten Leitungspaar beliebiger Länge aufzunehmen. Dabei sollte das verdrillte Leitungspaar sauber an der Treiberquelle angeschlossen sein, um potenzielle Kabelreflexionen zu vermeiden. Die charakteristische Impedanz einer verdrillten Leitung liegt üblicherweise im niedrigen 100-Ω-Bereich. CAT7-Kabel haben beispielsweise vier individuell geschirmte, verdrillte Leistungspaare mit 100 Ω differenzieller Impedanz.

Das Niveau der Schirmung zwischen verdrillten Leitungspaaren in einem CAT7-Kabel kann mit der Art der physikalischen Konstruktion variieren. Ein CAT7-Flachbandkabel zeigt zum Beispiel eine schlechte Isolierung des internen kapazitiven Übersprechens von nur rund 10 dB, während ein CAT7-Kabel mit dem üblichen runden Querschnitt mindestens 50 dB Dämpfung des kapazitiven Übersprechens aufweist. In diesem Fall ist die Dämpfung des kapazitiven Übersprechens das Verhältnis der Eigenkapazität eines verdrillten Leitungspaars zur Kapazität zwischen verdrillten Leitungspaaren in dB. Dieses kapazitive Übersprechen ist besonders relevant bei höheren Frequenzen und wenn die Quellimpedanz wesentlich höher als die charakteristische Impedanz des Kabels ist.

Bild 3: Der A/D-Wandler LTC2358 ermöglicht das direkte Treiben mit verdrillten Leitungen beliebiger Länge.

Bild 3: Der A/D-Wandler LTC2358 ermöglicht das direkte Treiben mit verdrillten Leitungen beliebiger Länge. Analog Devices

Ist die Quelle eine komplexe oder aktive Impedanz unbekannter Charakteristik, ist ein zusätzliches RC-Filter zur Potenzialtrennung zwischen der unbekannten Quellimpedanz und den Abschlusswiderständen der Quelle empfehlenswert. Ein RC-Filter, wie das 640-kHz-Filter an IN2 in Bild 3, kann auch an den Eingängen von A/D-Wandlern zum Einsatz kommen, um HF-Interferenzen zu reduzieren, die von den verdrillten Leitungspaaren aufgenommen worden sind.

Die Analogeingänge besitzen keinen Selbst-Gleichrichtungs-Mechanismus, der die HF-Interferenz in einen Schein-DC-Pegel am Eingangs-Pin wandelt, wodurch die Analogeingänge sehr unempfindlich für elektromagnetische Interferenzen sind. Die in Bild 3 dargestellten Schaltungen wurden mit einem 4,57 m langen CAT7-Kabel verifiziert und zeigten keine erkennbare Auswirkung auf die Offset-Spannung oder die Linearität.

 

Auf der folgenden Seite, wie sich der A/D-Wandler mit Overdrive umgeht und wie sich dabei die Verlustleistung minimieren lässt.

Übertreiben mit limitiertem Strom

Bild 4: Illustration des Übersteuerungsverhaltens mit eingangsstrombegrenzenden Widerständen.

Bild 4: Illustration des Übersteuerungsverhaltens mit eingangsstrombegrenzenden Widerständen. Analog Devices

Einen Analogeingang auf jedem Kanal über VCC auf bis zu 10 mA zu treiben, beeinflusst die Wandlungsergebnisse auf den anderen Kanälen nicht. Rund 70 Prozent dieses Overdrive-Stroms fließt  aus dem VCC-Pin, die restlichen 30 Prozent aus dem VEE-Pin. Dieser aus VEE fließende Strom erzeugt Wärme am Spannungsabfall VCC – VEE und muss für die maximale Verlustleistung von insgesamt 500 mW mit in Betracht gezogen werden.

Einen Analogeingang unter VEE zu treiben kann Wandlungsergebnisse auf anderen Kanälen verfälschen. Der LTC2358 ist in der Lage, Eingangsströme ohne Latch-up von bis zu 100 mA unter VEE und über VCC zu handhaben. Bild 4 illustriert die Übersteuerungsantwort mit externen 2,49-kΩ-Widerständen bis zu ± 40 V.

Abhängig von den Systemanforderungen kann eine ganze Reihe von Strombegrenzungsschaltungen beim Übersteuern zum Einsatz kommen. Einzelne externe Widerstände mit bis zu 10 kΩ können zum Begrenzen des Eingangsstroms dienen, wobei sie transparent für die AC- und DC-Eigenschaften des LTC2358 bleiben, wenn sie innerhalb der normalen Wandlungsbereiche liegen. 10-kΩ-Widerstände mit 1 W begrenzen den Eingangsstrom auf unter 10 mA mit ± 100 V Übersteuerung.

Wenn eine geringere Verlustleistung der Übersteuerung und weitere Eingangsspannungsbereiche erwünscht sind, können strombegrenzende N-Kanal-MOSFETs im Verarmungsbetrieb die externen strombegrenzenden Widerstände ersetzen. Ein Paar N-Kanal-Verarmungs-MOSFETS LND150 von Microchip-Supertex, gegenläufig in Reihe geschaltet, senkt die externen Übersteuerungsströme auf IDSS = 3 mA maximal und tolerieren dabei bis zu ± 400 V. Infineon produziert ebenfalls Verarmungs-N-Kanal-MOSFETs wie den BSS126 mit IDSS = 7 mA maximal bis zu 600 V.

Zu beachten sind dabei die Spezifikationen der Hersteller, um in sicheren Betriebsbereichen zu bleiben. Wenn eine noch geringere Verlustleistung der Übersteuerungsschaltung gewünscht wird, können zusätzliche Degenerations-Widerstände zwischen die Sources und Gates der N-Kanal-MOSFETs eingelötet werden, um die Spitzenströme auf maximal ± 150 A zu begrenzen.

 

Wie sich mit dem LTC2358 Sensorsignale digitalisieren lassen, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Sensor- und Strommesssignale verstärken

Bild 5: Der LTC2358 ermöglicht ein zehnfaches Verstärken differenzieller Signale über einen weiten Gleichtaktspannungsbereich.

Bild 5: Der LTC2358 ermöglicht ein zehnfaches Verstärken differenzieller Signale über einen weiten Gleichtaktspannungsbereich. Analog Devices

Bild 6: CMRR in Abhängigkeit der Eingangsfrequenz für die Schaltung aus Bild 5.

Bild 6: CMRR in Abhängigkeit der Eingangsfrequenz für die Schaltung aus Bild 5. Analog Devices

Bild 7: Die gemessene AC-Leistung der Lösung aus Bild 5.

Bild 7: Die gemessene AC-Leistung der Lösung aus Bild 5. Analog Devices

Die Fähigkeit von A/D-Wandlern wie dem LTC2358, frei wählbare Signalhübe über einen weiten Bereich an Gleichtakteingangsspannungen mit hoher CMRR zu akzeptieren, vereinfacht die Applikation. In der Praxis produzieren viele Sensoren eine differenzielle Spannung, die auf einem großen Gleichtaktsignal moduliert ist.

Bild 5 zeigt einen Weg, den LTC2358 zu benutzen, um solche Signalarten zu digitalisieren. Die Verstärkerstufe liefert eine differenzielle Verstärkung von etwa 10 V/V für das gewünschte Sensorsignal, wobei das unerwünschte Gleichtaktsignal von der CMRR des A/D-Wandlers gedämpft wird. Die Schaltung überstreicht den ± 5-V-Softspan-Bereich des A/D-Wandlers.

Die Eingänge des A/D-Wandlers können nach oben bis zu VCC – 4 V = 27 V oder herunter auf VEE + 4 V = -3 V schwingen. Zu beachten ist, dass 5 VP-P Signalhub an den A/D-Wandlereingängen 5 V des verfügbaren Gleichtaktspannungsbereichs verbrauchen. Jede andere Kombination der VCC– und VEE-Spannungen lässt sich nutzen, um eine bestimmte Applikation auf bis zu VCC – VEE = 38 V maximal, mit VCC > 7,5 V und -16,5 V < VEE < 0 V anzupassen. Bild 6 zeigt die gemessene CMRR dieser Lösung, die es mit den besten, kommerziell verfügbaren Instrumentenverstärkern aufnehmen kann. Bild 7 zeigt die gemessene AC-Leistung dieser Lösung.

Die Verstärkung des Verstärkers könnte mit Rückkoppel-Widerständen höherer Werte auf 100 gesteigert werden, sodass aus einem differenziellen ± 50-mV-Eingang ein Signalhub von ± 5 V kommt, der den vollen Dynamikbereich des A/D-Wandlers im ± 5-V-Softspan-Bereichen treibt. Der Chopper-stabilisierte OPV LTC2057HV besitzt einen maximalen Offset von 4 µV, was die genaue Messung von kleinen Strömen mit den externen Fühl-Widerständen erlaubt.

Joe Sousa

Design und Application Engineer bei Analog Devices Power by Linear

Andrew Thomas

Design und Application Engineer bei Analog Devices Power by Linear

Clement Wagner

Design und Application Engineer bei Analog Devices Power by Linear

Mark Thoren

Design und Application Engineer bei Analog Devices Power by Linear

(na)

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