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SAR Wandler mit PGA erreicht 125dB Dynamik
Für Anwendungen die einen hohen Dynamikbereich erfordern, wird oft ein Sigma-Delta Wandler eingesetzt. Diese Anwendungen sind vor allem im Bereich der chemischen Analyse, der Medizin und Wägetechnik zu finden.
Viele dieser Bausteine besitzen jedoch nicht die Möglichkeit einer schnellen Wandlung. Die folgende Schaltung beschreibt einen solchen Ansatz, eine hohe Dynamik kombiniert mit hoher Wandlungsrate.
Abbildung 1: SAR-Wandler mit automatischer Anpassung der Verstärkung
Die Schaltung in Abbildung 1 zeigt einen 16bit SAR-Wandler mit 2.5MSPS und einem vorgeschalteten, programmierbaren Instrumentenverstärker, der die Verstärkung auf 1 oder 100 einstellt. Durch Überabtastung und weiterer digitaler Signalverarbeitung im FPGA erreicht diese Schaltung eine Dynamik von größer 125dB und ist dennoch sehr rauscharm.
Die hohe Dynamik wird zum einen durch die automatische Umschaltung des AD8253 erreicht, zum anderen durch eine Überabtastung (Oversampling). Hierbei wird das Signal mit einer deutlich höheren Rate abgetastet, als mit der Nyquist Frequenz. Als Faustregel gilt hierbei: eine Verdopplung der Abtastfrequenz verbessert den Signal-Rauschabstand (SNR) etwa um 3dB – bei originaler Bandbreite des Signals. In der Schaltung aus Abbildung 1 wird im FPGA noch eine digitale Filterung angewandt, um das Rauschen oberhalb der interessanten Signalbandbreite zu entfernen. Das Prinzip wird in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Erhöhung der Überabtastung entfernt einen Teil des Rauschens
Um die maximale Dynamik zu erreichen, wird der Instrumentenverstärker im Eingang benutzt, der die sehr kleinen Signale um den Faktor 100 verstärkt. Nachfolgend ein paar Betrachtungen zum Rauschen:
Für die Anforderung der Dynamik von >126dB ergibt sich ein maximales Rauschen von 1µV rms bei einem 3V Eingangssignal (6V p-p). Der AD7985 ist ein 16bit SAR Wandler mit 2.5MSPS. Betreibt man diesen nun mit 600kSPS (für geringe Verlustleistung von 11mW) und stellt eine Überabtastung von 72 ein, so ergibt sich eine Abtastrate von etwa 8kSPS und damit eine Bandbreite von 4kHz. Aus diesen Bedingungen ergibt sich eine Rauschdichte (noise density, ND) von maximal 15.8nV/√Hz.
Dieser Wert ist wichtig für die Auswahl des richtigen Instrumentenverstärkers. Der ADC hat einen Signal-Rausch Abstand (SNR) von typisch 89dB, durch die 72 fache Überabtastung erhält man zusätzliche 18dB, damit fehlen noch etwa 20dB um das Ziel von 126dB zu erreichen, was Aufgabe des Instrumentenverstärkers ist. Der AD8253 hat bei einer Verstärkung von 100 einen Wert von 11nV/√Hz, der folgende AD8021, der als ADC-Treiber und zur Pegelanpassung eingesetzt wird, steuert weitere 2.1nV/√Hz Rauschen bei.
Abbildung 3: Beispiel für die Umschaltung der Verstärkung
Die analoge Signalkette wird durch die Spannungsreferenz ADR439 (oder REF194) sowie einen ADA4004-2 als Referenzpuffer und Treiber zur Erzeugung der Offsetspannungen komplettiert.
Neben den Bauteilen im analogen Pfad ist der FPGA (oder ein Prozessor) wichtig für die Leistungsfähigkeit der Schaltung. Eine wichtige Aufgabe ist die Umschaltung der Verstärkung des Instrumentenverstärkers von 1 auf 100. Dazu werden einige Schwellwerte programmiert, damit der ADC nicht in die Sättigung geht. So wird der AD8253 bei Eingangsspannungen bis etwa 20mV mit einer Verstärkung von 100 betrieben, was zu maximal 2.0V am Eingang des ADC führt. Danach wird durch den FPGA verzögerungsfrei die Verstärkung des AD8253 auf 1 reduziert und damit ein Übersteuern verhindert (siehe auch Abbildung 3).
Varianten der Schaltung können mit anderen ADCs betrieben werden, wie z.B. dem AD7980 (16bit, 1MSPS), AD7982 (18bit, 1MSPS) oder AD7986 (18bit, 2MSPS). Ebenso kann statt des AD8253 mit Verstärkungen von 1, 10, 100 und 1000 ein Instrumentenverstärker mit kleineren Bereich wie z.B. der AD8251 eingesetzt werden (Verstärkung 1, 2, 4, 8). Ebenso sind Variationen bei der Wahl der Referenzspannung möglich.
Ein komplettes Entwicklungssystem ist unter www.analog.com/CN0260 zu finden.
Autor: Thomas Tzscheetzsch [thomas.tzscheetzsch@analog.com] kam 2010 zu © Analog Devices und arbeitete als Senior Field Application Engineer. Von 2010 bis 2012 betreute er den regionalen Kundenstamm in der Mitte Deutschlands und arbeitet seit 2012 in einem Key Account Team für einen kleineren Kundenstamm. Nach seinem Studium der Elektrotechnik an der Fachhochschule Göttingen arbeitete er als Hardware-Konstrukteur am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Von 2004 bis 2010 arbeitete er als FAE im Vertrieb und arbeitete mit den Produkten von Analog Devices.
Abbildung 1: SAR-Wandler mit automatischer Anpassung der Verstärkung
Die Schaltung in Abbildung 1 zeigt einen 16bit SAR-Wandler mit 2.5MSPS und einem vorgeschalteten, programmierbaren Instrumentenverstärker, der die Verstärkung auf 1 oder 100 einstellt. Durch Überabtastung und weiterer digitaler Signalverarbeitung im FPGA erreicht diese Schaltung eine Dynamik von größer 125dB und ist dennoch sehr rauscharm.
Die hohe Dynamik wird zum einen durch die automatische Umschaltung des AD8253 erreicht, zum anderen durch eine Überabtastung (Oversampling). Hierbei wird das Signal mit einer deutlich höheren Rate abgetastet, als mit der Nyquist Frequenz. Als Faustregel gilt hierbei: eine Verdopplung der Abtastfrequenz verbessert den Signal-Rauschabstand (SNR) etwa um 3dB – bei originaler Bandbreite des Signals. In der Schaltung aus Abbildung 1 wird im FPGA noch eine digitale Filterung angewandt, um das Rauschen oberhalb der interessanten Signalbandbreite zu entfernen. Das Prinzip wird in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Erhöhung der Überabtastung entfernt einen Teil des Rauschens
Um die maximale Dynamik zu erreichen, wird der Instrumentenverstärker im Eingang benutzt, der die sehr kleinen Signale um den Faktor 100 verstärkt. Nachfolgend ein paar Betrachtungen zum Rauschen:
Für die Anforderung der Dynamik von >126dB ergibt sich ein maximales Rauschen von 1µV rms bei einem 3V Eingangssignal (6V p-p). Der AD7985 ist ein 16bit SAR Wandler mit 2.5MSPS. Betreibt man diesen nun mit 600kSPS (für geringe Verlustleistung von 11mW) und stellt eine Überabtastung von 72 ein, so ergibt sich eine Abtastrate von etwa 8kSPS und damit eine Bandbreite von 4kHz. Aus diesen Bedingungen ergibt sich eine Rauschdichte (noise density, ND) von maximal 15.8nV/√Hz.
Dieser Wert ist wichtig für die Auswahl des richtigen Instrumentenverstärkers. Der ADC hat einen Signal-Rausch Abstand (SNR) von typisch 89dB, durch die 72 fache Überabtastung erhält man zusätzliche 18dB, damit fehlen noch etwa 20dB um das Ziel von 126dB zu erreichen, was Aufgabe des Instrumentenverstärkers ist. Der AD8253 hat bei einer Verstärkung von 100 einen Wert von 11nV/√Hz, der folgende AD8021, der als ADC-Treiber und zur Pegelanpassung eingesetzt wird, steuert weitere 2.1nV/√Hz Rauschen bei.
Abbildung 3: Beispiel für die Umschaltung der Verstärkung
Die analoge Signalkette wird durch die Spannungsreferenz ADR439 (oder REF194) sowie einen ADA4004-2 als Referenzpuffer und Treiber zur Erzeugung der Offsetspannungen komplettiert.
Neben den Bauteilen im analogen Pfad ist der FPGA (oder ein Prozessor) wichtig für die Leistungsfähigkeit der Schaltung. Eine wichtige Aufgabe ist die Umschaltung der Verstärkung des Instrumentenverstärkers von 1 auf 100. Dazu werden einige Schwellwerte programmiert, damit der ADC nicht in die Sättigung geht. So wird der AD8253 bei Eingangsspannungen bis etwa 20mV mit einer Verstärkung von 100 betrieben, was zu maximal 2.0V am Eingang des ADC führt. Danach wird durch den FPGA verzögerungsfrei die Verstärkung des AD8253 auf 1 reduziert und damit ein Übersteuern verhindert (siehe auch Abbildung 3).
Varianten der Schaltung können mit anderen ADCs betrieben werden, wie z.B. dem AD7980 (16bit, 1MSPS), AD7982 (18bit, 1MSPS) oder AD7986 (18bit, 2MSPS). Ebenso kann statt des AD8253 mit Verstärkungen von 1, 10, 100 und 1000 ein Instrumentenverstärker mit kleineren Bereich wie z.B. der AD8251 eingesetzt werden (Verstärkung 1, 2, 4, 8). Ebenso sind Variationen bei der Wahl der Referenzspannung möglich.
Ein komplettes Entwicklungssystem ist unter www.analog.com/CN0260 zu finden.Autor: Thomas Tzscheetzsch [thomas.tzscheetzsch@analog.com] kam 2010 zu © Analog Devices und arbeitete als Senior Field Application Engineer. Von 2010 bis 2012 betreute er den regionalen Kundenstamm in der Mitte Deutschlands und arbeitet seit 2012 in einem Key Account Team für einen kleineren Kundenstamm. Nach seinem Studium der Elektrotechnik an der Fachhochschule Göttingen arbeitete er als Hardware-Konstrukteur am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Von 2004 bis 2010 arbeitete er als FAE im Vertrieb und arbeitete mit den Produkten von Analog Devices.
