Low-Power-A/D-Wandler für eine unipolare Versorgungsspannung

In der hier vorgestellten Schaltung wird ein Datenerfassungssystem beschrieben, in dem ein 100 kSample/s schneller 16 Bit A/D-Wandler für eine unipolare Versorgungsspannung mit einer Leistung von 8 mW auskommt.

Bei den meisten Systemen müssen Entwickler einen Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Leistungsaufnahme finden. Anhand der hier beschriebenen Schaltung werden diese Zielkonflikte diskutiert und es wird gezeigt, wie sich in einem 100 kSample/s schnellen 16-Bit-Datenerfassungssystem gleichzeitig eine geringe Leistungsaufnahme von typisch 8 mW und eine hohe Leistungsfähigkeit erzielen lassen.

In der Schaltung in Bild 1 kommt der AD7988-1, ein Low-Power A/D-Wandler (350 μA) aus der PulSAR-Familie, zum Einsatz. Die Ansteuerung des Wandlers erfolgt direkt über den ADA4841-1, einen leistungsfähigen Low-Voltage-Operationsverstärker (OPV) mit geringem Stromverbrauch. Dieser Operationsverstärker wurde wegen seiner guten Dynamik gewählt. Er lässt sich direkt mit einer unipolaren Spannung Rail-to-Rail-Verhalten am Ausgang versorgen. Darüber hinaus umfasst der eingangsseitige Gleichtaktspannungsbereich die negative Versorgungsspannung.

Für den AD7988-1 ist eine externe Referenzspannung zwischen 2,4 und 5,1 V erforderlich. In der hier gezeigten Applikation wurde die 2,5-V-Referenz ADR4525 verwendet.

Schaltungsbeschreibung

Kern der Schaltung ist der AD7988-1, ein 100 kSample/s schneller 16 Bit-A/D-Wandler, der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation (SAR) arbeitet und mit einer unipolaren Spannung (VDD) versorgt wird. Der AD7988-1 enthält einen 16-Bit-Sampling-ADC mit geringer Stromaufnahme sowie eine vielseitig verwendbare serielle Schnittstelle (SPI). Mit der steigenden Flanke von CNV erfasst der A/D-Wandler ein analoges Eingangssignal an IN+, bezogen auf IN−, welches mit Masse verbunden ist. Das Eingangssignal muss innerhalb 0 V und REF liegen. Die Referenzspannung REF wird extern angelegt und ist unabhängig von der Versorgungsspannung VDD einstellbar.

Für die Experimente zur Erstellung dieser Schaltung wurde das Evaluation-Board AD7988-1 an die System-Demonstration-Plattform (SDP) EVAL-SDP-CB1Z angeschlossen. Die SPI-kompatible serielle ADC-Schnittstelle wurde mit dem DSP SPORT-Interface verbunden. Die Schnittstelle des A/D-Wandlers ermöglicht den Anschluss mehrerer Wandler an einen 3-Draht-Bus nach dem Daisy-Chain-Konzept. Die Schnittstelle eignet sich für 1,8-, 2,5-, 3- oder 5-V-Logik. Dabei wird der separate VIO-Versorgungspin genutzt.

Der AD7988-1 wird im zehnpoligen MSOP- oder im zehnpoligen QFN-Gehäuse (LFCSP) geliefert. Auf diesem Board wird das MSOP-Gehäuse verwendet.

Der ADC-Eingang wird vom ADA4841-1 gepuffert und getrieben. Der ADA4841-1 ist ein bei Eins-Verstärkung 1 stabil arbeitender rausch- und verzerrungsarmer Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang. Er kommt mit einem Ruhestrom von typisch 1,1 mA aus. Dieses Verstärkermodell bietet ein Breitbandrauschen von 2,1 nV/√Hz und ein Stromrauschen von 1,4 pA/√Hz. Außerdem weist der ADA4841-1 einen störungsfreien Dynamikbereich (SFDR) von −105 dBc bei 100 kHz auf. Für geringes Rauschen bei niedrigeren Frequenzen bietet der Verstärker ein 1/f-Rauschen von 7 nV/√Hz und 13 pA/√Hz bei 10 Hz.

Ein wichtiges Leistungsmerkmal, welches den ADA4841-1 als Bauteil für Anwendungen mit unipolarer Versorgungsspannung prädestiniert, ist, dass er in dieser Applikation mit einer unipolaren Spannung arbeiten kann, wobei der negative Versorgungsanschluss mit der Masse verbunden wird. Der Verstärkerausgang erreicht eine untere Spannung von 50 mV über dem Massepotenzial, was für diese Anwendung genügt. Der eingangsseitige Gleichtaktspannungsbereich erstreckt sich von der negativen Versorgungsspannung bis auf 1 V unterhalb der positiven Versorgungsspannung.

Dies erfordert eine Versorgungsspannungsreserve von mindestens 1 V, um in dem interessierenden Signalbereich (0 bis 2,5 V) arbeiten zu können. Deshalb wurde in dieser Schaltung eine Versorgungspannung von 4 V verwendet. Den ADA4841-1 gibt es wahlweise im sechspoligen SOT-23- oder im achtpoligen SOIC-Gehäuse.

Bei der 2,5-V-Referenzspannung dieser Applikation handelt es sich um das Modell ADR4525 aus der Serie ADR45xx. Hohe Präzision, geringe Stromaufnahme und niedriges Rauschen zeichnen dieses Bauteil neben einer Anfangsgenauigkeit von ±0,01%, exzellenter Temperaturstabilität und geringem Ausgangsrauschen aus. Die Systemleistungsfähigkeit wird durch die geringe, durch Temperaturwechsel verursachte Spannungshysterese sowie die niedrige Langzeit-Ausgangsspannungsdrift des ADR4525 verbessert. Ein maximaler Betriebsstrom von 700 μA und eine Dropout-Spannung von maximal 500 mV prädestinieren das Bauteil für den Einsatz in batteriegetrienenen Geräten.

Alle drei Produkte, die in der hier beschriebenen Schaltung zum Einsatz kommen, sind für den industriellen Temperaturbereich (−40 bis +125°C) spezifiziert.

Erwartungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit

Da es bei dieser Schaltung auf einen möglichst geringen Energieverbrauch ankommt, muss genau analysiert werden, welchen Beitrag die beteiligten Bauteile jeweils zur Gesamtstromaufnahme des Systems leisten. Dementsprechend muss die Auswahl der Bauteile erfolgen. Der erste Schritt bestand im Überprüfen der Versorgungsströme der drei gewählten Bauteile.

Die typischen berechneten und gemessenen Versorgungsströme für alle Bauteile sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die VIO-Versorgung der digitalen Schnittstelle des A/D-Wandlers ist darin nicht enthalten. Sie ist vernachlässigbar. Die gemessenen Ströme sind weitgehend identisch mit den berechneten Werten. Kleine Abweichungen sind zum einen auf die passiven Komponenten zurückzuführen, zum anderen auf leichte Abweichungen der Versorgungsströme von den im Datenblatt spezifizierten typischen Werten.

 

 

Bild 2: SNR, SINAD und ENOB in Abhängigkeit von der Referenzspannung für den A/D-Wandler AD7988-1
Bild 2: SNR, SINAD und ENOB in Abhängigkeit von der Referenzspannung für den A/D-Wandler AD7988-1

Beim Einsatz von Referenzspannungen mit kleinen Werten ist eine geringfügige Verschlechterung der AC-Leistungsfähigkeit des A/D-Wandlers AD7988-1 zu erwarten. Die Abhängigkeit der Leistungsdaten von der Referenzspannung zeigt Bild 2. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), die Summe aus Signal-Rausch-Verhältnis und Verzerrung (SINAD) sowie die effektive Auflösung (ENOB) sind als Funktion der Referenzspannung dargestellt. Für eine 2,5-V-Referenz ist ein SNR von etwa 86 bis 87 dB zu erwarten.

Bild 3: AC-Leistungsfähigkeit mit einer Abtastrate von 100 kSample/s, gemessen bei 10 kHz, SNR = 86,17 dB
Bild 3: AC-Leistungsfähigkeit mit einer Abtastrate von 100 kSample/s, gemessen bei 10 kHz, SNR = 86,17 dB

Gebräuchliche VariantenMessergebnisse für die Schaltung zeigt Bild 3. Das SNR von 86,17 dB entspricht dem bei der 2,5-V-Referenzspannung erwarteten Signal-Rausch-Verhältnis (wie in Bild 2 gezeigt).

Aus der PulSAR-Familie sind andere pinkompatible 16 Bit A/D-Wandler mit höheren Abtastraten verfügbar: AD7988-5 (500 kSample/s), AD7980 (1 MSample/s) und AD7983 (1,33 MSample/s). Die Modelle mit höheren Abtastraten nehmen mehr Strom auf. Falls eine höhere Auflösung erforderlich ist, stehen geeignete pinkompatible Bauteile zur Verfügung: AD7691 (18 Bit, 250 kSample/s), AD7690 (18 Bit, 400 kSample/s), AD7982 (18 Bit, 1 MSample/s, differenzieller Eingang) und AD7984 (18 Bit, 1,33 MSample/s).

Für größere Eingangsspannungshübe sollte man eine Spannungsreferenz mit höherer Ausgangsspannung einsetzen und sowohl für die Referenz als auch für den ADC-Treiber höhere Versorgungsspannungen wählen.

 

 

Bild 4: AC- Leistungsfähigkeit mit einer Abtastrate von 500 kSample/s, gemessen für eine Eingangsfrequenz von 10 kHz. Zum Einsatz kommt der 500 kSample/s schnelle A/D-Wandler AD7988-5. Das SNR beträgt 86,37 dB.
Bild 4: AC- Leistungsfähigkeit mit einer Abtastrate von 500 kSample/s, gemessen für eine Eingangsfrequenz von 10 kHz. Zum Einsatz kommt der 500 kSample/s schnelle A/D-Wandler AD7988-5. Das SNR beträgt 86,37 dB.

Erweiterung um einen Bias-VerstärkerDie dynamische Leistungsfähigkeit für den A/D-Wandler AD7988-5 (16 Bit, 500 kSample/s) unter vergleichbaren Bedingungen zeigt Bild 4. Hier lässt sich bei einer Abtastrate von 500 kSample/s ein SNR von 86,37 dB erreichen.

 

 

Bild 5: Erweiterte Schaltung einschließlich Gleichtaktpuffer zum Zentrieren des Eingangsspannungsbereichs in einer Applikation mit AC-Kopplung
Bild 5: Erweiterte Schaltung einschließlich Gleichtaktpuffer zum Zentrieren des Eingangsspannungsbereichs in einer Applikation mit AC-Kopplung

Zahlreiche Verstärker können in dieser Applikation für Pufferzwecke verwendet werden. Der AD8031 ist ein Verstärker mit Spannungsrückkopplung, der an einer unipolaren Versorgungsspannung arbeitet und Leistungsmerkmale wie hohe Leistungsfähigkeit mit einer Kleinsignalbandbreite von 80 MHz, einer Anstiegsrate von 30 V/μs und einer Einschwingzeit von 125 ns aufweist.In Anwendungen mit AC-Kopplung muss dem Eingangssignal eine DC-Spannung überlagert werden, so dass es um die Mitte des Eingangsspannungsbereiches des ADC (0 bis 2,5 V für eine 2,5-V-Referenz) schwingt. Die Schaltung in Bild 5 adressiert diese Problematik.

Dieser Verstärker ist auch bei kapazitiver Belastung bei einer Verstärkung von 1 stabil und nimmt an einer unipolaren Spannung von 3,3 V weniger als 2,5 mW auf. Wahlweise steht der AD8031 im fünfpoligen SOT-23-Gehäuse, im achtpoligen SOIC-, im achtpoligen PDIP- oder im achtpoligen MSOP-Gehäuse zur Verfügung. In dieser Schaltung dient der AD8031 zum Puffern der 2,5-V-Referenzspannung für einen Spannungsteiler, welcher die Referenzspannung auf die erforderliche Gleichtaktspannung von 1,25 V für den Eingang des ADA4841-1 herunterteilt. Die zusätzliche Leistungsaufnahme des Puffers zeigt Tabelle 2.

Erweiterung um einen Referenzspannungspuffer

 

 

Bild 6: Erweiterte Schaltung einschließlich Gleichtaktbias- und Referenzpuffer
Bild 6: Erweiterte Schaltung einschließlich Gleichtaktbias- und Referenzpuffer

Die Bilder 7 und 8 zeigen die Leistungsfähigkeit der A/-Wandler AD7988-1 und AD7988-5, wenn der Verstärker AD8032 genutzt wird, um den VCM-Spannungspegel zu erzeugen und die Referenzspannung zu puffern (Bild 6). Diese Schaltung ist auf dem EVAL-CN0255-SDPZ-Board implementiert.In Applikationen, in denen verschiedene Schaltungen die gleiche Spannungsreferenz nutzen, kann es erforderlich sein, die Referenzspannung zu puffern, um die optimale Leistungsfähigkeit sicherzustellen. In diesem Fall lässt sich AD8032 (eine Zweifach-Version des AD8031) sehr gut einsetzen (Bild 6). Sofern der ADC-Referenzeingang gepuffert ist, kann die Entkopplungskapazität auf 10 μF reduziert werden. Verwendet wird ein Keramik-Chipkondensator, der sich möglichst nahe am A/D-Wandler befindet.

Schaltungsevaluierung und Test

Erforderliches Equipment (Vergleichbare Geräte können verwendet werden)

  • EVAL-CN0255-SDPZ
  • System-Demonstrationsboard (EVAL-SDP-CB1Z)
  • Funktionsgenerator/Signalquelle wie etwa der in diesen Tests verwendete Signalgenerator SYS-2522 (Audio Precision)
  • Stromversorgung 2,5 und 4 V
  • PC mit USB-Schnittstelle, USB-Kabel und installierter PulSAR-Software

Setup und Test

Das Blockdiagramm des Aufbaus zur Messung der AC-Leistung zeigt Bild 9. Zunächst wird das Evaluation-Board an die 2,5- und 4-V- Stromversorgung angeschlossen.

 

Bild 9: Testaufbau zum Messen der AC-Leistungsfähigkeit
Bild 9: Testaufbau zum Messen der AC-Leistungsfähigkeit

Um den Frequenzverlauf zu messen, wird das Equipment entsprechend Bild 9 angeschlossen. Am Signalgenerator SYS-2522 (Audio Precision) werden eine Frequenz von 10 kHz und ein Sinussignal von 2,5 Vss mit 1,25 V DC-Offset eingestellt. Zur Aufzeichnung der Daten dient die Evaluation-Board-Software.

Die Softwareanalyse ist Teil der Evaluation-Board-Software, welche dem Anwender die Erfassung und Analyse der AC- und DC-Leistung ermöglicht.

Die Autorin:

Catherine Redmond ist Staff Applications Engineer bei Analog Devices in Limerick, Irland.

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