Masseverbindung für Datenwandler – Oder: Was Philosophie mit Elektronik zu tun hat

Kürzlich gab ich Ihnen den Rat, den digitalen Masse-Pin von A/D-Wandlern mit der analogen System-Masse zu verbinden. Das war kein Irrtum, sondern das ist eine Notwendigkeit!

Bei diesem Rat handelte es sich keineswegs um einen Fehler, sondern das ist die einzig sichere Möglichkeit, Datenwandler (also A/D-Wandler und D/A-Wandler), die separate Massenanschlüsse für den analogen und den digitalen Teil (AGND bzw. DGND) besitzen, an Masse anzuschließen. Ihr ungutes Gefühl hierbei ist das Ergebnis eines Fehlers, den man in der Philosophie als ‚Kategoriefehler‘ bezeichnet.

Einen Kategoriefehler begehen wir, wenn wir annehmen, dass zwei Dinge gleich oder gleichartig sind, nur weil sie denselben oder einen ähnlichen Namen tragen. Die digitale Masse ist der Teil eines Systems, in dem die Masseströme der digitalen Schaltungen eines Systems fließen. In einem Datenwandler dagegen versteht man unter der digitalen Masse (DGND) den Pin, über den der Strom für die digitalen Schaltungen und die Rückströme der digitalen Schnittstellen eines Datenwandlers fließen.

Es handelt sich dabei aber um zwei völlig verschiedene Dinge. Die optimale Stelle, eine Verbindung zwischen dem DGND-Pin und dem AGND-Pin eines Datenwandlers herzustellen, ist tatsächlich unmittelbar am IC-Gehäuse und auf exakt demselben Potenzial. Dies minimiert etwaiges kapazitives Übersprechen zwischen den beiden Massen im Chip und damit auch logikbedingte Störungen am Wandlerausgang. Wann immer möglich, sollte ein Wandler deshalb einen gemeinsamen internen Masseanschluss für den analogen und den digitalen Teil haben. Der Spannungsabfall, der durch den Massestrom des digitalen Teils im Pin-Widerstand entsteht, macht dies jedoch häufig unmöglich, sodass unbedingt separate AGND- und DGND-Pins benötigt werden.

Diese Pins müssen aber unmittelbar am Gehäuse und nirgendwo sonst miteinander verbunden werden. Dabei sollte die Impedanz zwischen den Anschlüssen möglichst klein gehalten und keine Widerstände, Induktivitäten oder Ferrite zwischen die Pins geschaltet werden. An anderer Stelle hatte ich bereits angemerkt, dass Datenblätter oft nicht gerade ideal sind, und so findet sich in den Datenblättern von Wandlern unter Umständen die Empfehlung, AGND und DGND mit der analogen bzw. der digitalen Systemmasse zu verbinden. Finden Sie diesen Hinweis im Datenblatt, so ist er falsch und darf von Ihnen getrost ignoriert werden.

Abgesehen davon ist es selten ratsam, die Verbindungspunkte der analogen System-Masse und der digitalen System-Masse direkt an einem Datenwandler zu platzieren. Sie sollten sich stattdessen in der Nähe der Stromversorgungen befinden. Sofern die Masse-Impedanzen so gering sind, wie sie sein sollten, verschlechtert diese Anordnung die Störimmunität der digitalen Schnittstellen der Datenwandler nur geringfügig, was nichts ausmachen dürfte. Dafür aber verbessert sich das Rauschverhalten des analogen Teils des Systems gravierend, und dies wiederum spielt eine große Rolle.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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