Differenziellen 16-Bit-A/D-Wandler mit unsymmetrischen Signalen treiben

Es kann schwierig sein, den Ausgang eines Sensors an den Eingangsbereich eines A/D-Wandlers anzupassen, besonders, wenn man mit der Vielfalt von unterschiedlichen Ausgangsspannungsbereichen konfrontiert ist, die heutige Sensoren generieren. Dieser Artikel präsentiert eine einfache aber dennoch leistungsfähige A/D-Wandler-Treiberlösung für differenzielle unsymmetrische, unipolare und bipolare Signale, die verschiedene Spannungshübe abdecken. Alle in diesem Artikel beschriebenen Schaltungen erreichen 92 dB SNR, nur mit dem A/D-Wandler LTC2383-16 alleine, oder zusammen mit dem A/D-Wandler-Treiber LTC6350.

Der LTC2383-16 ist ein rauscharmer, verlustleistungsarmer 16-Bit-A/D-Wandler mit 1 MSample Abtastrate und einem voll differenziellem Eingangspannungsbereich von +/- 2,5 V. Der LTC6350 ist ein rauscharmer, verlustleitungsarmer Konverter/A/D-Wandler-Treiber mit der schnellsten Einschwingzeit, der unsymmetrische Eingänge auf differenzielle Ausgänge mit vollem Spannungshub umsetzt. Bei Einsatz des LTC6350 können unsymmetrische Eingangsbereiche von 0 V bis 2,5 V, 0 V bis 5 V und +/- 10 V einfach auf den voll differenziellen +/- 2,5 V Eingangsbereich des LTC2383-16 umgesetzt werden.

Voll differenzielles Treiben

Bild 1
Bild 1

Bild 1 zeigt die prinzipielle Blockschaltung, die für alle hier beschriebenen Schaltungen benutzt wird. Sie liefert ein DC-gekoppeltes voll differenzielles Signal an die analogen Eingänge des LTC2383-16. Die Widerstände R1, R2 und der Kondensator C1 begrenzen die Eingangsbandbreite auf ungefähr 500 kHz. Die Widerstände R3 und R4 reduzieren die Auswirkung der Eingangsabtastspitze, die den Sensor oder die Ausgänge des A/D-Wandler-Treibers stören kann.

Diese Schaltung ist sinnvoll für Sensoren mit differenziellen Ausgangssignalen mit geringer Impedanz. Die Gleichtaktspannung, die AIN+ und AIN- treibt, muss Vref/2 entsprechen, um die Anforderungen an den Gleichtaktspannungseingangsbereich des LTC2383-16 zu erfüllen.

Die Schaltung in Bild 1 kann auch AC-gekoppelt sein, um die Gleichtaktspannung des A/D-Wandlereingangs, wenn nötig, an den Sensor anzupassen. Einfach AIN+ und AIN- auf Vcm (Vcm = Vref/2) mit einem 1-kOhm-Widerstand vorspannen (Bias) und den Sensorausgang an AIN+ und AIN- über einen 10-µF-Kondensator koppeln. Dies wird in Bild 2 dargestellt.

Bild 2
Bild 2

Wenn man einen rausch- und verzerrungsarmen A/D-Wandler wie den LTC2383-16 treibt, ist die saubere Komponentenauswahl essenziell, um die hohe Leistungsfähigkeit beizubehalten. Alle in diesen Schaltungen verwendeten Widerstände haben relativ kleine Werte. Dies hält das Rauschen und die Einstellzeit klein. Metallfilm-Widerstände werden empfohlen, um die durch Eigenerwärmung produzierten Verzerrungen zu verringern. Ein NPO-Kondensator wird wegen seines kleinen Spannungskoeffizienten, der die Verzerrungen minimiert, als C1 verwendet.

 

Tabelle 1
Tabelle 1

Unsymmetrische auf differenzielle Umsetzung

 

Natürlich sind nicht alle Sensorausgänge differenziell. Hier sind nun einige Wege beschrieben, wie man den LTC2383-16 mit unsymmetrischen Signalen treibt.

 

Unsymmetrischer Eingang mit 0 V bis 2,5V

 

Bild 3
Bild 3

Die Schaltung in Bild 3 wandelt ein unsymmetrisches Signal mit 0 bis 2,5 V in ein voll differenzielles +/- 2,5-V-Signal um. Diese Schaltung hat auch einen Eingang mit hoher Impedanz, so dass die meisten Sensorausgänge in der Lage sein sollten, diesen direkt zu treiben. Die Gleichtaktspannung bei Vin kann durch AC-Kopplung von Vin an den A/D-Wandler angepasst werden, wie in Bild 2 gezeigt. Die Gleichtaktspannung des zweiten Verstärkers wird am +IN2-Pin des LTC6350 eingestellt. Die 32-Punkt-FFT in Bild 4 zeigt die Leistungsfähigkeit des LTC2383-16, der mit dem LTC6350 kombiniert ist, unter Einsatz der in Bild 3 dargestellten Schaltung. Der gemessene Signal-/Rauschabstand (SNR) von 92 dB und THD von –107 dB entsprechen sehr genau den typischen Datenblatt-Spezifikationen des LTC2383-16. Dies bedeutet, dass nur wenig, wenn überhaupt, Abweichungen von den A/D-Wandlerspezifikationen durch das Einbringen des von unsymmetrisch auf differenziell wandelnden Konverters in den Signalpfad resultieren.

 

Bild 4
Bild 4

Unsymmetrischer Eingang mit 0 V bis 5 V

 

Bild 5
Bild 5

Einige Sensoren generieren eine Ausgangsspannung, die über und unter Masse schwingt. Die Schaltung in Bild 6 wandelt ein Massebezogenes unsymmetrisches +/- 10-V-Signal auf ein differenzielles ±2,5-V-Signal um, das die Eingänge des LTC2383-16 treibt. Auch hier wird die Eingangsimpedanz durch R7 gesetzt. Tabelle 2 zeigt Rauschen und Verzerrungen in Abhängigkeit von der Impedanz der Schaltung in Bild 5.

 

 

Der Autor:

Guy Hoover
arbeitet als Applications Engineer in der Gruppe Mixed Signal Products bei Linear Technology in Milpitas, USA.

 

 

 

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