Verbessern Sie Ihr System mit dem LTC2358 Analog-Digital-Wandler, ideal geeignet für Hochspannungsanwendungen, die eine hohe dynamische Bandbreite erfordern. Präzise Analog-Digital-Wandler sind die kritische Schnittstelle zwischen Signalen aus der realen Welt und der Leistung moderner, digitaler Verarbeitung in Anwendungen von industrieller Prozesssteuerung bis hin zu Test- und Messsystemen mit hoher Leistung. Leider ist es nicht immer leicht, Sensoren oder sonstige Signalquellen mit einem Wandler zu verbinden und die gesamte Leistung nutzen zu können, die der Datenwandler anbietet. Oft werden zusätzliche Schaltkreise benötigt, die Pufferung, Überspannungsschutz oder sonstige Funktionen bereitstellen. Dann entstehen oft Herausforderungen bei ihrer Umsetzung mit der erforderlichen Leistung.
Hallo, ich bin Andrew Thomas, ein Senior Design Engineer in der Mixed Signal Group bei Linear Technology. Ich möchte Ihnen zeigen, wie die integrierten PICO Amp-Eingangs-Analogpuffer unseres neuen LTC2358 Octal A/D-W diese Herausforderungen vereinfachen können. Kurz gesagt haben wir die führende Leistung und herausragende Flexibilität unseres LTC2348 Octal Successive Approximation-A/D-W um FED-Eingangspufferung mit hoher Leistung ergänzt.
Im LTC2348-Produktvideo haben wir besprochen, inwiefern dessen herausragende Leistung und Messfunktion für beliebige Eingänge ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für viele Hochspannungsanwendungen machen. Der LTC2358 bietet die gleichen Vorteile bei fast identischer Leistung. Nun möchte ich allerdings auf einige einfache Wege eingehen, wie die gepufferten Eingänge Ihr System verbessern können.
Viele Sensoren, sogar solche mit langsamen oder empfindlichen Ausgängen, lassen sich einfach direkt an den LTC2358 anschließen – ohne zwischenzeitliche Signalkonditionierung. Zuvor war für einen Octal-A/D-W eventuell Pufferung von vier Dual-Hochspannungs-Op-Amps wie diesen erforderlich. Im Gegensatz dazu ermöglicht der LTC2358 drastische Einsparungen im Bereich der Platine und Energieversorgung, denn diese Op-Amps werden überflüssig. Ein Beispiel eines solchen direkten Sensoranschlusses ist der hier gezeigte einfache Thermistorschaltkreis, der eine Spannung am A/D-W erzeugt, die vom Verhältnis des Thermistors zum obigen Festwiderstand abhängt.
Beachten Sie, dass der Anschluss der Oberseite des Widerstands an den A/D-W ein genaues Verhältnis sicherstellt, selbst wenn der Referenzwert abweicht. Bei der Auswahl eines Thermistors ergeben niedrige Widerstandswerte eine höhere Verlustleistung in einem Thermistor, was sich negativ auf die Genauigkeit der Messung auswirken kann.
Andererseits erfordert eine hohe Genauigkeit mit einem Hochwiderstandsthermistor eine sehr hohe Eingangsimpedanzmessung. Hier zeigen sich die Vorteile des rein kapazitiven Eingangs beim LTC2358, die eine hohe Genauigkeit mit einem 20-Kiloohm-Element ermöglichen. Die hohe Samplingrate und das niedrige Rauschen des LTC2358 ermöglichen eine weitere Verbesserung der Nutzung eines Schalters parallel zu einem Thermistor.
Während dieser Schalter eingeschaltet ist, geht keine Leistung im Thermistor verloren, was zum Betrieb bei Umgebungstemperatur führt. Wird eine Temperaturmessung benötigt, wird der Schalter kurzzeitig ausgeschaltet. Dann kann die Messung in unter einer Millisekunde abgeschlossen werden, bevor sich der Thermistor aufheizen kann. Dieses Beispiel zeigt, wie schnell eine genaue Messung vorgenommen werden kann, und lässt auch den steigenden Messfehler erkennen, wenn die Konversion für 100 Millisekunden fortgesetzt wird. Viel länger als die erforderliche Zeit.
Anhand dieses einfachen Beispiels ist zu erkennen, wie leicht sich eine Schnittstelle zwischen dem Sensor und dem LTC2358 herstellen lässt. Doch die Puffer helfen auch anderweitig. Wenden wir uns nun den Gründen zu, weshalb die gepufferten Eingänge auch ein leichtes Design dieses Systems zur sauberen und transparenten Verarbeitung von Überbereichssignalen ermöglichen. Ungeachtet dessen, ob sie als Teil des normalen Verhaltens oder wegen eines Systemfehlerzustands auftreten. Überbereichs-A/D-W-Eingangssignale können aus mehreren Gründen auftreten. Manchmal sind sie so offensichtlich wie beim Versuch, ein 2-kg-Objekt auf einer 1-kg-Waage zu wiegen, oder sie treten wegen fehlerhafter Sensoren, Spannungsversorgungen oder Verdrahtung auf.
Der Umgang mit solchen Zuständen ist bestenfalls eine Ablenkung und schlimmstenfalls eine Verschlechterung der Leistung. Der LTC2358 macht die Herstellung von Hochleistungssystemen leichter, die robust auf Überbereichssignale reagieren. Dieser Farbbalken zeigt grafisch, welches Verhalten vom LTC2358 bei verschiedenen Eingangsspannungen zu erwarten ist.
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Erstens hat der A/D-W kein Problem damit, wenn analoge Eingangsspannungen ihr programmiertes Maximum übersteigen. Ist ein Eingang beispielsweise auf den Betrieb von null bis fünf Volt konfiguriert, das System legt aber zehn Volt oder eine beliebige Spannung bis zur Versorgungsdifferenz für Hochspannung an, meldet der Wandler einfach einen voll ausgelasteten Eingangswert. Die auf anderen Kanälen gewandelten Ergebnisse sind weiterhin genau, und die Verlustleistung steigt nicht.
In schlimmeren Fällen könnte die Eingangsspannung sogar höher liegen als der Hochspannungswert. Versorgt ein Verstärker, der mit 40 Volt betrieben wird, etwa den A/D-W, könnte bei einer Fehlfunktion des Verstärkers ein Eingang mit 40 Volt versorgt werden. Interne Dioden klemmen die analogen Eingänge an die Hochspannungsversorgungen. Daher ist es einfach nötig, die Stromstärke zu begrenzen und dadurch zu vermeiden, dass das Bauteil oder sonstige Schaltkreise beschädigt werden. Der LTC2358 kann Pins tolerieren, die über dessen Eingangsleistungen versorgt werden, mit bis zu 10 mA ohne Probleme. Wird also einfach ein 2½-Kiloohm-Widerstand in Reihe mit dem Eingang geschaltet, stellt auch ein fehlgeleitetes Eingangssignal von bis zu 40 Volt kein Problem dar. Die Hochimpedanzeingänge des A/D-W stellen sicher, dass dieser hohe Widerstand nicht die Leistung beeinträchtigt, wenn der Schaltkreis normal arbeitet. Zudem wirken sich Spannungen von bis zu 40 Volt nicht auf die Genauigkeit in anderen A/D-W-Kanälen aus.
Werden die Eingänge unterhalb der negativen Versorgung angesteuert, bis zu –40 V, hat dies ebenfalls keinen Schaden zur Folge, wirkt sich aber auf die Genauigkeit auf anderen Kanälen aus. Jenseits dieser Grenzen kann die Verlustleistung im A/D-W und in den Widerständen leiden. Andere Widerstandswerte lassen sich für andere mögliche Übersteuerungsbereiche nutzen, wobei die Strombegrenzung auf 10 mA beachtet werden muss.
Beispielsweise würde ein 10-Kiloohm-Widerstand 100 Volt erlauben. Beachten Sie, dass die Verlustleistung bei 100 Volt und 10 Kiloohm 1 Watt beträgt. Daher ist ein Widerstand mit höherer Leistung erforderlich, doch die Lösung ist dennoch extrem einfach und robust.
Bis jetzt habe ich einige Beispiele gezeigt, wie sich die Schaltkreise vor dem A/D-W eliminieren oder vereinfachen lassen. Der LTC2358 kann auch etwas erfinderischer in Sensorsysteme integriert werden, indem der extrem niedrige Eingangsstrom und der breite allgemeine Lastbereich genutzt werden.
Der analoge Eingangsstrom wird ausschließlich von Halbleiterlecks bestimmt und beträgt bei Raumtemperatur typischerweise weniger als 10 pA. Dank dieses niedrigen Eingangsstroms lässt sich der LTC2358 mit extrem niedrigen Stromsignalen, wie sie für Fotodioden typisch sind, nutzen. Eine Fotodiode ist eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode, bei der eine geringe Strommenge durchgeleitet wird, die davon abhängt, wie viel Licht auf die Diode fällt. Dieses geringe Stromsignal wird dann oft durch einen Transimpedanz-Op-Amp-Schaltkreis wie diesen in eine Spannung umgewandelt, sodass die Ausgangsspannung des Op-Amps proportional zum Diodenstrom ist und sich von einem A/D-W digitalisieren lässt.
Da es sich bei der Fotodiode um eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode handelt, erscheint sie wie ein extrem hoher Widerstand, und die Messung ihrer Stromstärke mit hoher Genauigkeit erfordert, dass alles, was an sie angeschlossen ist, einen extrem niedrigen Eingangsstrom aufweist. Daher muss es sich bei dem gezeigten Op-Amp üblicherweise um einen FET-Eingangs-Op-Amp handeln. Leider ist die Eingangsoffsetspannung von FET-Op-Amps meist nicht sehr gut. Dies wirkt sich auf die Genauigkeit der Ausgangsspannung aus.
Allerdings kann der LTC2358 differenzielle Messungen vornehmen. So könnte er bei entsprechendem Anschluss die Spannung beim Widerstand anstatt beim Ausgang des Op-Amps messen. Diese Anschlussmethode eliminiert den Effekt des Op-Amp-Offsets und niederfrequenten Rauschens in der Messung. Ganz wichtig ist: Dieser Schaltkreis funktioniert nur deswegen, weil der LTC2358 selbst einen sehr niedrigen Eingangsstrom hat, bei Raumtemperatur normalerweise nur wenige Picoampere. Dadurch lässt er sich problemlos direkt an die Fotodiode anschließen, ohne die Messung zu stören. Dieser Fotodioden-Schaltkreis ist nur eine von vielen Anwendungsmöglichkeiten bei Schaltkreisen, die durch die gepufferten Eingänge des LTC2538 ermöglicht werden.
Um ein paar weitere Fälle zu nennen, ist es auch deutlich leichter, analoge Signalfilter und Schnittstellen zu Op-Amps mit niedriger Leistungsaufnahme zu konzipieren. Diese Fähigkeit in Kombination mit der einfachen Robustheit bei Übersteuerung, der direkte Anschluss von Sensoren sowie die herausragende Rohleistung machen den LTC2358 zu einer bemerkenswerten Lösung für eine große Zahl Mehrkanalsysteme. Ich hoffe, ich konnte Ihnen einige Wege zeigen, wie Sie damit das Design Ihres nächsten Systems vereinfachen können.
