Hochauflösende Analog-Digital-Wandler (A/D-W) sind eine Seltenheit. Sie werden in sehr spezifischen Industrien eingesetzt, die einen hohen Dynamikbereich und eine große Messgenauigkeit benötigen, und unterstützen bei einer akkuraten Darstellung physikalischer Signale in Umgebungen mit hoher Rauschbelastung. Bis vor kurzem arbeiteten diese Industrien hauptsächlich mit Delta-Sigma-A/D-Wandlern. Dies sind Spezialgeräte, die überabgetastet werden müssen, was zu sehr langsamen Datenausgaberaten führt. Dieser Artikel stellt einen neuen SAR-A/D-W (successive approximation register, Register mit stufenweiser Annäherung) vor, der eine hohe Auflösung mit einer hohen Abtastrate und einem außergewöhnlichen 24-Bit-Dynamikbereich verbindet und so den Dynamikbereich und die Messgenauigkeit der anderen Wandler übertrifft. Die folgenden Anwendungen sind Beispiele dafür, wie dieser hohe Dynamikbereich optimal eingesetzt werden kann.
Medizinische Geräte wie Enzephalographen müssen Signale trotz hoher Rauschbelastungen erkennen können. Die elektrische Aktivität einer stimulierten Zelle (das so genannte Aktionspotential) kann zwischen 10 uV und 100 mV betragen, bei Frequenzniveaus zwischen 100 Hz und 2 kHz. Werden die Signale durch das Rauschen überdeckt, müssen die Abtastwerte gemittelt werden, um das Signal aufzulösen. Hierzu wird ein A/D-W mit einem hohen Dynamikbereich benötigt.
Andere anspruchsvolle Anwendungsgebiete mit ähnlichen Anforderungen sind die Seismologie und seismische Erkundungen. Der Dynamikbereich der Signale von Seismometern und Beschleunigungsmetern kann bis zu 140 dB, die Frequenz bis zu 100 Hz betragen. Der Rauschabstand der von Sensoren empfangenen seismischen Signale ist sehr niedrig, da es während der Signalverbreitung durch den Untergrund und die tiefen Schichten zu einer Absorption und Dämpfung kommt. Dies kann bei der Messung der Signale eine Herausforderung darstellen.
Ein Gas-Sensor muss sehr geringe Gaskonzentrationen erkennen können und bereits bei Erkennungspegeln von gerade einmal 0,5 ppm einen Alarm ausgeben. In diesem Anwendungsbereich sind eine hohe Genauigkeit und ein weitreichender Dynamikbereich von grundlegender Bedeutung, um sicherzustellen, dass giftige Chemikalien schnell erkannt werden, es aber gleichzeitig auch nicht zu unnötigen Alarmen kommt.
Auch allgemeine Trends sorgen dafür, dass die Anforderungen an die Datenwandlung steigen. Aufgrund der Entwicklung hin zur Nutzung von tragbaren Geräten müssen immer häufiger batteriebetriebene Geräte immer komplexere Datenwandlungsaufgaben erfüllen. Die Designer stehen vor der Herausforderung, kleinere Lösungen mit einem minimalen Stromverbrauch entwickeln zu müssen.
Wenn es um die Datenwandlung geht, bringt jede der gebräuchlichen A/D-W-Architekturen eine Reihe von Vor- und Nachteilen mit sich.
Architekturen von Datenwandlern
Das Design von Analog-Digital-Wandlern zeichnet sich in den meisten Fällen durch eine Reihe von Kompromissen aus. Viel ist davon abhängig, was das wichtigste Ziel des Wandlers ist: eine hohe Auflösung, eine hohe Geschwindigkeit oder eine niedrige Leistungsaufnahme. Hinweis: Sie können sich nicht zwangsweise für alle drei entscheiden!
Um all die verschiedenen Anwendungsanforderungen abdecken zu können, wurden im Laufe der Jahre verschiedenste A/D-W-Architekturen entwickelt. Heutzutage werden jedoch hauptsächlich drei Architekturen genutzt.
In den gängigen A/D-Wandleranwendungen mit niedrigen Frequenzsignalen ist herkömmlicherweise die SAR-Architektur (successive approximation register, Register mit stufenweiser Annäherung) die erste Wahl. Sie stellt den Übergang von den hochauflösenden Delta-Sigma-Architekturen mit niedriger Geschwindigkeit zu den Hochgeschwindigkeits-Pipeline-Architekturen mit geringerer Leistung dar. SAR-Wandler sind normalerweise günstiger als Pipeline-A/D-W und verbrauchen verhältnismäßig wenig Strom. Bei SAR-Wandlern kommt es bei stufenweisen Wandlungen nicht zu einem Auftreten von Latenz. Dies macht sie zur perfekten Lösung für die Abtastung von gemultiplexten oder nicht-periodischen Signalen.
Pipeline-Wandler verwenden eine mehrstufige sequentielle Pipeline-Architektur, um die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen. Sie dominieren den Markt, wenn es um sehr hohe Abtastraten für das Erfassen breiter Signalbandbreiten oder Signale mit höheren Eingangsfrequenzen geht. Im Vergleich zu schnellen SAR-A/D-W verbrauchen Pipeline-Wandler weniger Strom. Für gemultiplexte oder nicht-periodische Eingänge sind sie ungeeignet, da sie bei jeder Änderung der Quelle die Pipeline leeren müssen, was zu einer beträchtlichen Latenz führt. Der größte Rivale der SAR-A/D-W im Bereich der hochauflösenderen Anwendungen ist der Delta-Sigma-Wandler, der einen Delta-Sigma-Modulator und einen digitalen Dezimationsfilter nutzt. Im Vergleich zum SAR ist diese Architektur langsam und ungenau. Der wichtigste Unterschied ist jedoch, dass das Rauschspektrum des Delta-Sigma-A/D-Wandlers vibrierende Rauschtöne umfasst, während der Rauschpegel der SAR-A/D-Wandler eine gleichmäßige spektrale Leistungsdichte besitzt. So können SAR-A/D-W Töne oder Schwingungen auf unglaublich niedrigen Pegeln besser erkennen.
Vorstellung des LTC2380-24
Trotz ihrer Nachteile war die relativ langsame Delta-Sigma-Architektur lange die einzige Option für hochauflösende Anwendungen, da SAR-Wandler herkömmlicherweise für Auflösungen über 18 Bit genutzt werden konnten. Vor kurzem stellte nun Power by Linear von Analog Devices den LTC2380-24 vor, einen SAR-Wandler, der eine Kombination aus hoher Auflösung (24 Bit) und hoher Abtastrate (bis zu 2 MS/s) bietet. Er ist das Aushängeschild der LTC2380-Familie von Power by Linear von Analog Devices, zu der unter anderem der LTC2378-20 (20 Bit, 1 MS/s), der LTC2379-18 (18 Bit, 1,6 MS/s)und der LTC2380-16 (16 Bit, 2 MS/s) gehören. All diese Teile werden in einem 4 mm x 3 mm großen MSOP-16- DFN-Gehäuse bereitgestellt und sind Pin-kompatibel.
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Dank seiner schnellen 2 MS/s Abtastrate mit einer 24 Bit Präzision und der einzigartigen ±0,5 ppm (TYP) Linearität kann der LTC2380-24 Signale mit einem extrem niedrigen Eingangspegel in Anwendungen mit einem hohen Dynamikbereich wie EKG/EEG auflösen.
Der LTC2380-24 bietet zusätzliche Funktionen, die den Umgang mit häufigen Designproblemen erleichtern, z. B. einen integrierten digitalen Filter und digitale Verstärkungskompression für den Einzelversorgungsbetrieb.
Die detaillierten technischen Spezifikationen finden Sie auf der Produktseite des LTC2380-24. Dieser Artikel befasst sich mit einigen der speziellen Funktionen des Bauteils und den Vorteilen, die sie den Zielanwendungen liefern und schneidet einige Anwendungsdetails kurz an.
Digitale Filterung für die Mittelung
In vielen Anwendungsbereichen wie der seismischen Erkundung ist es erforderlich, dass schwache Niedrigfrequenzsignale trotz des Vorhandenseins von Breitbandrauschen genau gemessen werden. Die Wirkung dieses unkorrelierten Rauschens kann durch eine Überabtastung des Signals bei einer Rate, die viel höher als die Nyquist-Frequenz liegt, und einer darauf folgenden Mittelung des Ergebnisses mehrerer Wandlungen verringert werden. Die Überabtastung erhöht den effektiven Dynamikbereich des A/D-W, indem das Rauschen über eine breitere Bandbreite verteilt wird und so die spektrale Rauschdichte in der entsprechenden Bandbreite verringert wird. Dies sorgt gleichzeitig für eine geringere Komplexität des Anti-Aliasing-Frontend-Filters, was im Gegenzug zu einer geringeren Leistungsaufnahme und Einführung von Rauschen und Verzerrungen führt.
Der LTC2380-24 ist mit einem integrierten digitalen Mittelungsfilter ausgestattet, der diese Funktion ohne zusätzliche Hardware erfüllen kann. Dies vereinfacht das Design und bietet eine Reihe einzigartiger Vorteile, während die hohe Abtastrate den LTC2380-24 zu einer hervorragenden Option für viele Anwendungen macht. Seine Benutzer profitieren davon, dass wertvolle Ressourcen des Prozessors freigesetzt werden, die für die Ausführung anderer Aufgaben genutzt werden können, während die gemittelten Daten mit viel langsameren Datenraten (bei bis zu 2 MS/s) übertragen werden können.
Der im LTC2380-24 eingesetzte digitale Mittelungsfilter wird auch SINC1-Filter genannt. Er kann Wandlungsblöcke mit einer Größe von gerade einmal N = 1 bis hoch zu N = 65.536 mitteln. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Der Dynamikbereich wird von 101 dB bei 1,5 MS/s auf eine echte 24-Bit-Leistung mit 145 dB bei 30,5 S/s
Abbildung 1: Verbesserung des Dynamikbereichs durch einen digitalen Mittelungsfilter
Es ist möglich, bestimmte Eingangsfrequenzen zu unterdrücken, indem N basierend auf der Abtastrate und der Frequenz, die unterdrückt werden soll, ausgewählt wird. Dies ist insbesondere bei der Unterdrückung von Netzfrequenzen im Bereich von 50 Hz oder 60 Hz hilfreich, die für viele empfindliche Datenerfassungsanwendungen ein Problem darstellen.
Beispiel: Bei Auswahl von N = 20.000 und einer Abtastrate von 1 MS/s werden die 50-Hz-Frequenzen unterdrückt. Weitere Details finden Sie im Datenblatt des LTC2380-24.
Digitale Kompressionsverstärkung
Abbildung 2: Digitale Verstärkungskompression
Der LTC2380-24 -24 bietet die Möglichkeit zur digitalen Verstärkungskompression (DGC, digital gain compression). Diese Funktion legt fest, dass die voll ausgesteuerte Eingangsschwankung zwischen 10 % und 90 % des analogen +/-VREF-Eingangsbereichs liegt. Zur Aktivierung der DGC wird der REF/DGC-Pin heruntergedrückt. Die DGC ermöglicht es, dass die Signalverarbeitungsschnittstelle vor dem LTC2380-24 über eine einzelne +5V-Stromquelle betrieben wird, da jeder A/D-W-Eingang zwischen 0,5 V und 4,5 V schwankt, wenn für den LTC2380-24 eine 5-Volt-Referenz verwendet wird (siehe Abbildung 2). Dies macht eine negative Versorgungsspannungsleitung auf dem A/D-W-Treiber überflüssig und trägt so zu einer Verringerung der Systemkosten und Energieeinsparungen im gesamten System bei. Nutznießer dieser Funktion sind insbesondere batteriebetriebene und tragbare Anwendungen.
Energiemanagement
Der LTC2380-24 schaltet sich nach dem Abschluss der Wandlung aus. Die Wandlungsdaten können jedoch weiter ausgetaktet werden. Im Abschaltmodus beträgt die Gesamtleistungsaufnahme gerade einmal 2,5 uW (Typ). Dies macht den Wandler zu einer hervorragenden Wahl für Anwendungen mit niedriger Leistung, für die nur eine periodische Eingangsabtastung erforderlich ist. Der LTC2380-24 verbraucht bei einer Abtastung mit 2 MS/s gerade einmal 28 mW und benötigt nur eine einzelne 2,5-Volt-Stromzufuhr.
Anwendungsdetails: Optimierung des Eingangstreibers
Aufgrund der hohen Auflösung und der hohen Abtastraten des LTC2380-24 ist es wichtig, sich die Treiberschaltung des Analogeingangs des A/D-W genauer anzuschauen, um zu verhindern, dass sie sich nicht negativ auf die Gesamtleistung auswirkt. Bei einer LSB-Größe von gerade einmal 0,6μV bei VREF=5V ist es nicht einfach, sicherzustellen, dass der Treiber nicht zum begrenzenden Faktor wird!
Abbildung 3: Eingangsfilterung des LTC2380-24
Um für eine niedrige Ausgangsimpedanz zu sorgen, die wiederum ein schnelles Einschwingen des analogen Signals während der Sample-and-Hold-Phase ermöglicht, sollte ein Pufferverstärker eingesetzt werden. Selbstverständlich müssen auch die Verzerrung und das Rauschen des Pufferverstärkers und der Signalquelle berücksichtigt werden, da sie zum Rauschen und zu der Verzerrung des A/D-W beitragen.
Um das Rauschen zu minimieren, sollten die Eingangssignale vor dem Eingang am Pufferverstärker mit einem entsprechenden Filter gefiltert werden. Für viele Anwendungen reicht ein einfacher RC-Tiefpassfilter (low pass filter, LPF1), wie er in Abbildung 3 dargestellt ist, aus.
Zwischen der Ausgabe des Treibers und dem A/D-W-Eingang wird ein zusätzlicher Tiefpassfilter (LPF2) benötigt. Dies ist wichtig, da der Abtastprozess des LTC2380-24 beim Einschalten des Abtastkondensators zu Beginn des Sample-and-Hold-Prozesses einen Ladungstransient erzeugt. Dies führt zu einem kurzen „Kurzschluss” der Verstärkerausgabe, da die Ladung vom Verstärker in den Abtastkondensator fließt. Der Treiber muss sich vor dem Ende des Abtastzeitraums von diesem Lastsprung erholen können. Ansonsten ist das Signal am A/D-W-Eingangs-Pin keine gültige Darstellung. Der LPF2 entkoppelt den Abtasttransienten des A/D-W; die Kapazität liefert den größten Teil der Ladung und die Widerstände dämpfen und schwächen alle durch den LTC2380-24 eingekoppelten Ladungen.
Der LPF2 bietet sowohl Differential- als auch Gleichtakt-Tiefpassfilterung. Die Differential-Grenzfrequenz beträgt 1/2πR(2CD + CC), die Gleichtakt-Grenzfrequenz 1/2πRCC.
Es ist wichtig, dass die CC-Kondensatoren so ähnlich wie möglich sind. Da die Widerstände und Kondensatoren zu einer zusätzlichen Verzerrung führen können, sollte das Design Qualitätskomponenten wie Metallfilmwiderstände und driftfreie Keramik- (NPO-) oder Silberglimmerkondensatoren einsetzen.
Wahl des Treiber-OP-Amps
Um die beste AC-Leistung zu erreichen, werden normalerweise zwei verschiedene OP-Amps zusammen mit dem LTC2380-24 verwendet.
Für die Pufferung einer vollständig differenziellen Quelle oder die Wandlung eines unsymmetrischen Eingangs in die differenzielle Form sollte der LT6203 verwendet werden. Beim LT6203 handelt es sich um einen dualen OP-Amp mit niedriger Leistung und stabilem Verstärkungsfaktor mit Rail-to-Rail-Ein- und -Ausgang. Das Produkt mit einer Verstärkungsbandbreite von 100 MHz bietet mit 1,9 nV/√Hz eine extrem rauscharme Spannung und einen Klirrfaktor von weniger als –80dBc bei 1 MHz. Pro Kanal benötigt der LT6203 gerade einmal 2,5 mA Versorgungsstrom und ist so für Anwendungen mit niedriger Leistung geeignet.
Im Einzelversorgungsbetrieb mit einer 5-Volt-Stromzufuhr sollte der LTC6362 SAR-A/D-W-Treiber verwendet werden. Er ist mit einem Rail-to-Rail-Ein- und -Ausgang ausgestattet, aber vollständig differenziell und bietet die Rauschdichte eines Verstärkungsbandbreitenprodukts mit 3,9 nV/√Hz und 180 MHz und eine Verzerrung von -116 dB bei 1 kHz.
Abbildung 4 zeigt den Einsatz des LTC6362 in einer Einzelversorgungsanwendung zusammen mit dem LTC6665. Es handelt sich hierbei um eine driftarme Präzisionsspannungsreferenz mit einem Spitze-Spitze-Rauschen von gerade einmal 0,25 ppm und einer maximalen Genauigkeit von 0,025 %. Bitte beachten Sie, dass die Spannung auf dem Pin 2 des LTC6362 den Gleichtaktspannungspegel definiert. Bleibt ein interner Widerstandsteiler im Floating-Zustand, entwickelt er bei einer 5-Volt-Stromversorgung eine Standardspannung von 2,5 V.
Abbildung 4: Einzelversorgungsanwendungsschaltung mithilfe des LTC6362
Auf seismischen Ölsuchinseln können mehr als 1.000 Sensorelemente, so genannte Geophone, eingesetzt werden. Jedes dieser Elemente verursacht niedrigpegelige Signale in einer rauschintensiven Umgebung mit Frequenzen, die bis zu 100 kHz betragen. Die hohe Abtastrate des LTC2380-24 ermöglicht eine Überabtastung und den Einsatz des digitalen Mittelungsfilters, um einen maximalen Dynamikbereich zu erreichen.
Auch medizinische Anwendungen wie die Kernspintomographie, die Gaschromatographie und digitale Röntgengeräte erfordern eine präzise Messung niedrigpegeliger Signale und stellen hohe Anforderungen an den Dynamikbereich des Datenerfassungs-Frontends. Dies macht den LTC2380-24 zur optimalen Lösung.
Design-Unterstützung
Mithilfe der DC2289 Demoplatine (Abbildung 5) kann der LTC2380-24 -24 ganz einfach bewertet werden.
Die DC2289 zeigt das Layout und die Geräteauswahl, die für ein Design mit höchstmöglicher Leistung empfohlen wird. Die Platine ist mit dem LT6203 als Eingangspufferverstärker für eine vollständig differenzielle Signalquelle und den integrierten Tiefpassfilter.
Zum Nachweis der DC-Leistungsparameter (z. B. das Spitze-Spitze-Rauschen und die DC-Linearität) kann die DC2289 an den DC590B USB-/Seriellen Controller oder die DC2026C Linduino One Isolated Arduino-Compatible Demoplatine angeschlossen werden. Alternativ kann die DC890B PScope™ Datenerfassungsplatine genutzt werden, um die AC-Leistungskennzahlen (SNR, THD, SINAD und SFDR) nachzuweisen.
Abbildung 5: DC2289A Demoplatine
LTC bietet verschiedene kostenlose Werkzeuge zur Erfassung und Analyse von Daten, darunter das System „QuikEval” für den DC590 und die Software „PScope” für die DC890. Sie können die gesamte Codebasis der DC2026 Platine, LTSketchbook.zip, von der Website von Power by Linear von Analog Devices herunterladen. Das Paket umfasst Democode und -bibliotheken für alle integrierten Geräte, inklusive des LTC2380-24.
Fazit
Der LTC2380-24 ist ein zukunftsweisender Präzisions-Analog-Digital-Wandler, der eine einzigartige Kombination aus hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit darstellt.
Er bietet eine Reihe von Funktionen, die Designer beim Lösen von Problemen und Ausführen von Aufgaben in einer Vielzahl von Präzisionsanaloganwendungen unterstützen, darunter die Datenerfassung, seismische Erkundung, medizinische und industrielle Prozesssteuerung und ATE.
Zusammen mit der umfangreichen Suite an Entwicklungsinstrumenten von Power by Linear von Analog Devices unterstützt der LTC2380-24 Designer bei einem schnellen Einstieg in ihr nächstes Präzisionsdatenerfassungsprojekt.