Leistung und Zuverlässigkeit sind die wichtigsten Faktoren für viele Geräte- und Ausrüstungsanwendungen in Labor- und Außendienst (LFS). Allerdings können ineffiziente Stücklisten die Kosten in die Höhe treiben und die Messpräzision beeinträchtigen. Diese Ineffizienzen hängen oft mit der Beschaffung von Signalkettengeräten zusammen. Der Zugang zu einer Signalketten-Komplettlösung mit fachkundigem und erfahrenem Anwendungssuppport von einem einzelnen zuverlässigen Lieferanten kann zu System- und Designeffizienzen führen und die Markteinführung beschleunigen. Diese Vorteile sind auf andere Weise nur schwer zu erreichen. Ein Referenzdesign von „Circuits From The Lab“ von Analog Devices, ein Zweikanal-Farbmessgerät mit Transimpedanzverstärkern mit programmierbarer Verstärkung und digital-synchroner Erkennung wird verwendet, um die Vorteile einer Signalketten-Komplettlösung von einem einzigen Lieferanten zu demonstrieren.
Die zunehmenden Marktchancen für die Herstellung von hochwertigen Geräten und Ausrüstungen in Labor- und Außendienst (LFS) erhöhen auch den Druck, diese Lösungen schneller auf den Markt zu bringen. Das Erreichen dieser schnellen Designzyklen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Präzision und Zuverlässigkeit des gesamten Geräts beruht entscheidend auf einer hochwertigen und effizienten Beschaffung der wichtigen Komponenten der Signalkette. Hochintegrierte Signalkettenkomponenten, wie etwa Verstärker und Analog-Digitalwandler (A/D-W), können die Leistungsfähigkeit der Stückliste verbessern und die Kosten senken. Darüber hinaus bringt die Möglichkeit, die entscheidenden Signalkettenkomponenten von einem Lieferanten zu beziehen, viele Kostenvorteile mit sich und eröffnet Gelegenheiten für einen optimierten Anwendungssupport. Letzten Endes könnten diese Faktoren die Belastung für Designressourcen senken und zu einem leistungsstärkeren Design in einem Bruchteil der Zeit führen.
Bildunterschrift: Das Zedboard IOT Kit dient zur Erzeugung eines modulierten Signals und einer Schnittstelle for Spektroskopie-Anwendungen mit der Evaluationsplatine CN0363 des Zweikanal-Farbmessgeräts von Analog Devices.
Hochwertige Referenzdesigns bieten für viele Anwendungen anpassbare Schaltungslösungen
Analog Devices bieten auf ihrer Website eine große Bibliothek an kostenlos verfügbaren Referenzdesigns. Diese Referenzdesigns können sofort als Schaltungslösung eingesetzt werden oder die detaillierten Erklärungen können einem Designer dabei helfen, die Schaltungen an die eigene Anwendung anzupassen. Diese Referenzdesigns umfassen eine breite Palette an Komponenten, die in Präzisionslabor- oder Feldtest- und Messungs- oder Serviceausrüstung eingebaut werden können.
Zum Beispiel, Circuit Note 0363 (CN0363), ein Zweikanal-Farbmessgerät mit Transimpedanzverstärkern mit programmierbarer Verstärkung und digital-synchroner Erkennung wird mit führenden A/D-W- und Präzisionsverstärkerlösungen von Analog Devices gebaut. Es gibt ein Video mit Circuit Note, das zusammen mit diesem Artikel Einblicke in den Prozess eröffnet.
Klicken Sie hier, um das Video anzusehen.
Der FPGA-Code des CN0363 ist ebenfalls über Analog Devices erhältlich.
Die Schaltung führt Absorptionsspektroskopie-Messungen mit drei unterschiedlichen Lichtwellenlängen durch, indem sie eine Schaltungstypologie nutzt, die Rauschquellen unterdrückt, um sehr genaue Ergebnisse zu erzielen. Solche Geräte werden üblicherweise für chemische Analyse- und Umweltüberwachungs-Geräte und -Instrumente zur Feststellung der Merkmale und Konzentrationen von flüssigen Proben verwendet.
Bildunterschrift: Die wichtigsten Signalkettenkomponenten der Evaluierungsplatine CN0363, ADA4528-1, ADA4805 und AD7175-2, werden als Transimpedanzverstärker bzw. Pufferverstärker für hohe Anstiegsgeschwindigkeit bzw. Hochpräzisions-Analog-Digital-Wandler verwendet.
Wichtige Signalkettenkomponenten senken Komplexität der Stückliste und verbessern die Leistung
Das Zweikanal-Farbmessgerät umfasst einen modulierten Lichtwellensender mit drei Frequenzen, der Licht durch eine flüssige Probe sendet, das durch die Frequenzeigenschaften der Probe gedämpft wird, bevor es von den jeweiligen Fotodioden empfangen wird. Der ADA4528-1 wird als ein Transimpedanzverstärker verwendet, um eine Spannung von dem Stromausgang der Fotodiodenempfänger zu erzeugen. Da der Stromausgang der Fotodioden für hochabsorbierende Flüssigkeiten sehr schwach sein kann, werden die Auto-Zero-Verstärkerfunktionen des ADA4528-1 genutzt, um Offsetfehler, 1/f-Rauschen, zu eliminieren sowie dazu, sehr niedriges Breitbandrauschen zu induzieren. Um Rauschspitzen auf der Auto-Zero-Frequenz zu vermeiden, liegt die Auto-Zero-Frequenz ungefähr bei 200 kHz, jenseits der 3dB-Signalbandbreite des Verstärkers.
Bildunterschrift: Die beiden getrennten Widerstand-Feedbacknetzwerke des Transimpedanzverstärkers ermöglichen die Konfiguration des Transimpedanzverstärkers, um die Ausgabe für Materialien mit höheren und niedrigeren Absorptionseigenschaften zu optimieren.
Obwohl der ADA4528-1 eine sehr geringe Offsetspannung haben kann, kann der Offset den Betrieb zwischen den Versorgungsspannungsanschlüssen begrenzen, wenn der Offset negativ ist. Um also keine negative Spannungsversorgung zu erfordern und um sicherzustellen, dass die Transimpedanzverstärker nicht übersteuert werden, wird der ADA4805-1 verwendet, um eine gepufferte Offset-Vorspannung von 100 mV an die Anode der Fotodiode anzulegen. Der OP-Amp ADA4805-1 wird als hochstabiler Spannungspuffer eingesetzt, der signifikante kapazitive Lasten treiben kann und sehr gut für das Entkoppeln geeignet ist. Die Vorspannung der Fotodioden und die Ausgabe des Digitalpotenziometers AD5201, die zur Einstellung des LED-Stroms verwendet wird, werden mit der OP-Amp ADA4805-1 gepuffert.
Ein Strahlteiler wird verwendet, um die roten, grünen und blauen (RGB)-LED-Ausgaben zur Probe und zu einem Referenzempfänger zu teilen. Sowohl der Probenempfänger als auch der Referenzempfänger umfassen identische Transimpedanzverstärkerschaltungen mit programmierbarer Verstärkung, die an verschiedene Kanäle des 24-Bit Σ-Δ-A/D-W mit ultraniedrigem Rauschen, dem AD7175-2, ausgeben. Um beide Kanäle innerhalb einer Einzelzyklus-Einschwingzeit abzutasten, wird der A/D-W für die Ausgabe einer Datenrate von 250 kSPS mit einem sinc5+sinc1-Filter konfiguriert. Diese Methode führt zu einer effektiven Abtastrate pro Kanal von 25 kSPS und einem Ausgabewert alle 40 µs.
Bildunterschrift: Die SPI-Ausgabe des AD7175-2 ermöglicht 250 kSPS Referenz- und aufgezeichnete Daten, die verwendet werden, um IQ-Daten und detaillierte digitale Vergleiche der Daten zu erzeugen.
Um zu vermeiden, dass es bei Frequenzen über 12,5 kHz, wie die ungeraden Oberschwingungen der Rechteckwellenmodulation, zum Aliasing im Durchlassbereich des A/D-W kommt, wird eine synchrone Demodulationsphase mit einer FPGA implementiert. Trotzdem wird eine Rauschquelle, die bei den Modulationsfrequenzen besteht, auf die grundlegenden Frequenzen zurückgesetzt. Wenn das vermieden werden soll, muss eine Beziehung zwischen Modulation und Abtastfrequenz aufrechterhalten werden, die bestimmt wird von der Gleichung:
Signalkettenvorteile von driftfreiem OP-Amp mit ultraniedrigem Rauschen und Rail-to-Rail-Eingang/Ausgang
Der ADA4528-1 wurde für Anwendungen konzipiert, bei denen die Begrenzung von Fehlern in der Signalkette von absoluter Wichtigkeit ist. Dazu gehören viele Sensor- und medizinische Anwendungen, in denen geringe Spannungen abgenommen und konvertiert werden. Der Verstärker demonstriert ein typisches niedriges Rauschen von 5,6 nV/√Hz bei f = 1 kHz und 97 nV p-p bei f = 0,1 Hz bis 10 Hz bei AV von +100 und eine sehr geringe Offset-Drift von 0,015 μV/°C mit einer maximalen Offsetspannung von 2,5 μV. Diese Spezifikationen werden über den erweiterten Temperaturbereich für Industrie und Automobilbereich von −40°C bis +125°C gemacht.
Der ADA4528-1 ist fähig zu Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang (RRIO) mit einem breiten Betriebs-Versorgungsspannungsbereich von 2,2 V bis 5,5 V oder Doppelversorgungsbetrieb von +/- 1,1 V bis +/- 2,75 V und bietet auch ein hohes CMRR von mindestens 135 dB und PSRR von mindestens 130 dB. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig bei extrem niedrigen Signalpegeln nahe dem Grundrauschen. Eine hohe Verstärkung von 130 dB und eine Überschreitungsfrequenz für den Verstärkungsfaktor Eins von 4 MHz ermöglicht ein hohes Gewinnbandbreiten-Produkt von 3 MHz bei AV = +100 und eine -3 dB geschlossene Schleife Bandbreite von 6,2 MHz.
ADA4528-1 ist in einem MSOP-Gehäuse mit 8 Anschlussstellen und in einem LFCSP-Gehäuse mit 8 Anschlussstellen verfügbar. Weitere Informationen zu dieser Komponente und dem Doppelpaket, ADA4528-2, finden Sie in der Application Note AN-1114, „Lowest Noise Zero-Drift Amplifier Has 5.6 nV/√Hz Voltage Noise Density.“
Rail-to-Rail-OP-Amp mit niedriger thermischer Offset-Drift, Leistung und Rauschen bietet verbesserte Anstiegsgeschwindigkeits-Eigenschaften
Der ADA4805-1 bietet hohe Leistung mit verbesserten Energiespareigenschaften, speziell konzipiert für Datenkonvertierungssysteme mit hoher Auflösung bei niedrigen Leistungsstufen. Zu den idealen Anwendungen gehören auch batteriebetriebene Instrumente, tragbare Verkaufsterminals und Mikropower-Aktivfilter. Mit einem niedrigen Ruhestrom von 495 μA enthält der ADA4805-1 auch eine Shutdown-Pin-Funktion, die bei Abschaltung den Versorgungsruhestrom weiter auf 3 μA senkt. Um schnelle Analog-Digital-Konvertierungsfunktionen (A/D-W) zu ermöglichen, dauert die Bootup-Zeit des Verstärkers vom Shutdown bis zum vollständigen Einschalten nur 3 μs.
Obwohl der ADA4805-1 mit sehr wenig Energie betrieben wird, hat das Gerät auch eine sehr hohe -3 dB-Bandbreite von 105 MHz mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 160 V/μs und einer Einschwingzeit bis 0,1 % von 35 ns. Durch die hohe Anstiegsgeschwindigkeit und schnelle Einschwingzeit kann der ADA4805-1 als Pufferverstärker mit großer kapazitiver Last mit exzellenten Entkopplungseigenschaften genutzt werden.
Außerdem werden die maximale Eingangs-Offset-Spannung von 125 μV und eine typische Eingangs-Offset-Drift von 0,2 µV/°C für einen breiten Versorgungsbereich von 3 V bis 10 V bei +/- 1,5 V, 3 V, 5 V oder +/- 5 V ausgestellt. Obwohl der Eingang einen Gleichtaktbereich von -Vs - 0,1 V bis +Vs - 1 V aufweist, weist der Ausgang ein geringes Rauschen von 5,9 nV/√Hz bei 100 kHz und 0,6 pA/√Hz bei 100 kHz und geringe niedrige Verzerrung von −102 dBc/−126 dBc HD2/HD3 bei 100 kHz für kompletten Rail-to-Rail-Ausgang auf.
Um die geringste Rauschleistung über den erweiterten Industrie- und Automobil-Temperaturbereich von −40°C bis +125°C zu ermöglichen, wird der Verstärker ADA4805-1 zusätzlich mit dem proprietären, besonders schnellen bipolaren (XFCB) Prozess von Analog Devices, Inc., gebaut und ist in sehr kleinen Gehäusen verfügbar, in einem SOT-23-Gehäuse mit 6 Anschlüssen und in einem SC70-Gehäuse mit 6 Anschlüssen. Eine Version mit zwei Verstärkern, ADA4805-2, ist ebenfalls verfügbar, in einem MSOP-Gehäuse mit 8 Anschlüssen und in einem LFCSP-Gehäuse mit 10 Anschlüssen.
Σ-Δ A/D-W sind rauscharm und schnell einschwingend und bieten flexible Eigenschaften für wissenschaftliche Anwendungen in Labor und Außendienst
Der AD7175-2 bietet einen sehr rauscharmen und schnell einschwingenden Σ-Δ A/D-W mit rauschfreien Bits von 17,2 bei 250 kSPS, 20 bei 2,5 kSPS und 24 bei 20 SPS mit einem INL von +/-1 ppm des Messbereichsendwerts. Der A/D-W kann als ein vollständig differenzieller Zweikanal- oder pseudo-differenzieller 4-Kanal-Wandler mit einer flexiblen Ausgangsrate von 5 SPS bis 250 kSPS konfiguriert werden. Die Eingänge des internen kanalübergreifenden Multiplexers werden durch analoge Rail-to-Rail-Eingangspuffer geleitet, die einen Eingang hoher Impedanz darstellen.
Es sind mehrere Optionen für die Stromversorgung des A/D-W verfügbar, bei 5 V AVDD1 oder +/-2,5 V AVDD1/AVSS und 2 V bis 5 V AVDD2 und IOVDD und nur eine typische Stromaufnahme von 8,4 mA. Der A/D-W enthält auch eine On-Chip-Referenzspannung von 2,5 V und eine geringe Drift von +/- 2ppm/°C.
Praktischerweise enthält der AD7175-2 integrierte analoge und digitale Signalanpassungsblöcke, die es erlauben, dass jeder analoge Eingabekanal unabhängig konfiguriert werden kann. Zum Beispiel ist die 50 Hz- oder 60 Hz-Unterdrückung von 85 dB mit 50 ms Einschwingzeit bei einer Ausgangsdatenrate von 27,27 SPS eine Funktion, die von digitalen Filtern stammt, die das Eingangssignal anpassen. Darüber hinaus können andere digitale Bearbeitungsfunktionen, wie etwa Offset- und Verstärkungskalibrierung, unabhängig pro Kanal konfiguriert werden. Die digitalen Steuerungseingänge GPIO und MUX I/O können verwendet werden, um den Eingangs-Multiplexer zu steuern, oder der AD7175-2 kann automatisch zwischen den Eingängen zyklisch wechseln, wodurch die Komplexität der Steuerschaltung reduziert wird.
Mit einem flexiblen 3- oder 4-Draht-Schmitt-Trigger oder einer digitalen SCLK-Schnittstelle ist der A/D-W zu SPI-, QSPI-, MICROWIRE- und DSP-kompatiblem Datenaustausch in der Lage. Der externe oder interne Taktoszillator kann für das Timing verwendet werden und der A/D-W bietet interne Taktausgabe zur Referenz. Aufgrund dieser Eigenschaften und des erweiterten industriellen Temperaturbereichs von −40°C bis +105°C eignet sich der AD7175-2 für Anwendungen der Prozesssteuerung, in medizinischen/wissenschaftlichen Mehrkanalinstrumenten und in Temperatur-/Druck- und Chromatografie-Instrumenten. Der A/D-W wird in einem TSSOP-Gehäuse mit 24 Anschlüssen ausgeliefert.
Bildunterschrift: Der AD7175-2 weist viele verbesserte digitale Steuerungseigenschaften und automatisierte Funktionen auf, wodurch die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten reduziert wird.
Fazit
Mit Circuit Note CN0363 ist Analog Devices in der Lage, die Vorteile eines Lieferanten für Schaltungslösungen aufzuzeigen, der über eine ausreichend vielfältige Produktpalette verfügt, um praktisch eine komplette Signalkettenlösung für Anwendungen in Labor und Außendienst anbieten zu können. Diese Vorteile helfen dabei, die Komplexität der Stückliste und die Kosten zu senken und gleichzeitig die Markteinführung zu beschleunigen und für Systementwicklungsingenieure das Design zu vereinfachen.