Dieser Tipp zeigt einen Vorschlag, wie man 24-Bit-A/D-Wandler dazu verwenden kann, um Verstärkerstufen zu eliminieren und damit auch deren Offset-, Drift- und Rauschbeiträge. Die Lösung ist einfach, die Gesamtleistung höher und die Kosten geringer.

Steht man vor der Aufgabe, ein A/D-Wandler-System zu entwickeln, wird man vermutlich als Erstes prüfen, welche Auflösung benötigt wird, und dann nach einem A/D-Wandler suchen, der diese Auflösung bietet. Um die geforderte Genauigkeit zu erreichen, ergänzt man anschließend das System um die nötigen Verstärkerstufen, so dass der interessierende analoge Bereich den Dynamikbereich des A/D-Wandlers abdeckt.

Bild 1: a) Bei diesem 12-Bit-SAR-ADC ist ein Sensor über einen Verstärker an den Wandler angeschlossen. In b) ist ein Sensor direkt an einen 24-Bit-Delta-Sigma-ADC angeschlossen.

Aber es gibt eine Alternative. So kann man einen 24-Bit-Wandler verwenden, um Verstärkerstufen überflüssig zu machen und damit auch deren Offset-, Drift- und Rauschbeiträge zu beseitigen, die in einem System mit 12 bis 16 Bit Auflösung anfallen. Der 24-Bit-Wandler ermöglicht somit eine einfachere Lösung. Zudem ist die erreichbare Gesamtleistung höher, und das bei gleichen oder sogar niedrigeren Kosten.

Unter dem Strich würde dabei eine Schaltung entstehen, in der nur ein Teil des Dynamikbereichs des 24-Bit-A/D-Wandlers genutzt wird. Man würde einfach auf einige Bits verzichten! Trotzdem würde man noch immer die Auflösung und Genauigkeit des ursprünglichen 12- oder 16-Bit-Systems erreichen oder sogar übertreffen. Der 24-Bit-Wandler bewirkt gegenüber einem 12-Bit-A/D-Wandler eine unmittelbare Verbesserung der Systemverstärkung um 4096 und bietet zusätzlich die Funktion eines Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung (Programmable Gain Amplifier, PGA). Der interne PGA im Delta-Sigma-Wandler kann die Verstärkung um einen weiteren Faktor von 64 bis 128 (produktspezifischer Wert) erhöhen.

Der erste Schritt bei der Schaltungsentwicklung besteht oft darin, den Sensor auszuwählen, der in der Schaltung zum Einsatz kommen soll, und sich dann dessen Ausgangssignalbereich anzusehen. Diesen Bereich passt man dann an den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers an. Bei diesem Ansatz wird für die Anpassung des Sensorsignals an den ADC-Eingangssignalbereich eine Analogverstärkerstufe benötigt. Man kann natürlich auch blindlings einen A/D-Wandler aussuchen, dessen Eingangssignalbereich genau dem Ausgangssignalbereich des Sensors entspricht. Bei beiden Strategien ist jedoch Vorsicht geboten. Da die tatsächliche Systemauflösung und -genauigkeit die entscheidenden Spezifikationen sind, sollte man sich ausführlicher mit dem vom System beigesteuerten Rauschen befassen.

Beispielsweise entspricht bei einem 12-Bit-System mit einem Bereich von 5 V und einem analogen Verstärkungsfaktor von 250 V/V das System-LSB (Least Significant Bit) einem Wert von 5 V / 250 / 2¹² oder 4,88 mV. Bild 1a veranschaulicht ein solches System.

Im zweiten Fall wird das Sensorsignal einem 24-Bit-Wandler ohne Verstärkung zugeführt (Bild 1b). Dies ist möglich, weil der LSB-Betrag des 24-Bit-Systems einer analogen Verstärkung von 4096 entspricht. Verfolgt man diese Schaltungsstrategie, kann man die Effekte einer analogen Potentialverschiebung eliminieren, wenn man die Differenzeingänge des A/D-Wandlers verwendet. Auf diese Weise kann man eine Spannung an den ADC-Minuseingang und zugleich das Ausgangssignal des Sensors an den ADC-Pluseingang anlegen. Der 24-Bit-A/D-Wandler ist zwar über seinen gesamten Eingangsspannungsbereich hinweg funktionsfähig, aber das Sensorausgangssignal bewirkt nur die Ausgabe eines Teils der ADC-Ausgangscodes. Die gezielte Auswahl dieses ADC-Teilbereichs hat zur Folge, dass nur der optimale Abschnitt des Signalbereichs genutzt wird. Setzt man einen 24-Bit-ADC mit einer effektiven Auflösung von 23 Bit ein, so ist dies dasselbe, als hätte man 2048 einzelne 12-Bit-Wandler über den Dynamikbereich des Wandlers verteilt.

Von Bonnie C. Baker, Texas Instruments