Spannungsreferenz mit zwei Ausgängen

Bild 1: Prinzipschaltung für Erzeugung von Uref/2(Bild: ADI) Bild 1: Prinzipschaltung für Erzeugung von Uref/2 (Bild: ADI)

Die meisten Referenzen haben jedoch nur eine feste Ausgangsspannung, was für viele Anwendungen ausreichend ist. Es gibt aber auch Anwendungen, in denen man eine zweite Referenzspannung benötigt, die den halben Betrag der eigentlichen Referenz aufweist. Dies ist zum Beispiel bei differenziellen Treiberbausteinen der Fall, bei denen der A/D-Wandler nicht die Common-Mode-Spannung für den Treiber zur Verfügung stellt. Eine einfache Möglichkeit, diese Referenzspannung zu realisieren, ist in Bild 1 dargestellt.

Die Schaltung besteht aus einer sogenannten „Ultralow Noise XFET (eXtra implanted junction FET) Voltage Reference“ vom Typ ADR431 mit einer Referenzspannung von 2,5 V. Die Referenz kann bis zu 30 mA treiben und arbeitet als Senke bis 20 mA. Wichtige Parameter sind unter anderem die Genauigkeit, der Temperaturkoeffizient und das Rauschen.

In der in Bild 1 gezeigten Schaltung wird ein präziser Differenzverstärker (AD8274) mit integrierten Widerständen als nicht invertierender Verstärker in der Konfiguration G=0,5 eingesetzt. Die integrierten Widerstände sind dafür verantwortlich, dass der Temperaturkoeffizient nur maximal 2 ppm/°C beträgt. Dieser Verstärker halbiert die Eingangsspannung und erzeugt damit eine Spannung, die eine vergleichbare Qualität wie die Referenzspannung aus dem ADR431 besitzt.

Der Referenzeingang eines SAR-ADC stellt für die Referenzspannungsquelle eine dynamische, kapazitive Last dar. Die Frequenz berechnet sich aus der Anzahl der zu wandelnden Bits multipliziert mit der Abtastfrequenz des Wandlers. Das Bit mit der höchsten Wertigkeit (MSB, most significant bit) benötigt hier den größten Strom.

Bild 2: Prinzip einer XFET-Referenz (Bild: ADI)
Bild 2: Prinzip einer XFET-Referenz (Bild: ADI)

Aus diesem Grund sollte eine Bandgap- oder XFET-Referenz, die einen internen Puffer-Verstärker besitzen kann, gewählt werden. Alternativ kann ein externer Operationsverstärker zum Einsatz kommen.

Das Ziel ist es einen maximalen Spannungseinbruch der Referenz von der Hälfte des kleinsten Bits (LSB, least significant bit) zu erreichen. Die Bandbreite des Operationsverstärkers sollte mindestens sein:

Bandbreite (G=1) = Wandelrate * Auflösung

Wichtige Eigenschaften für einen Puffer sind: Er muss mit einer Verstärkung von 1 stabil betrieben werden können (Spannungsfolger), er muss große kapazitive Lasten treiben können (in der Regel größer als 1000 pF) und er sollte eine niedrige Ausgangsimpedanz über den nötigen Frequenzbereich besitzen.

Tabelle 1: Parameter der Referenz ADR431 und des Differenzverstärkers AD8274
Tabelle 1: Parameter der Referenz ADR431 und des Differenzverstärkers AD8274

Die ADR431 kann hohe kapazitive Lasten treiben, allerdings sollte dann eine externe Kompensation erfolgen, um das Rauschen bei höheren Frequenzen zu minimieren. Empfohlene Werte für R und C sind 82 kOhm in Reihe mit 10 nF von Pin7 (Comp) zum Ausgang (Pin6). Mit diesen Werten lassen sich kapazitive Lasten bis zu 50 µF treiben, ohne eine wesentliche Verschlechterung der Ausgangsspannung zu erzielen.

Noch ein Wort zur Langzeitdrift. Offset und Temperaturkoeffizient können mit einer einmaligen Kalibrierung minimiert werden; bei der Langzeitdrift sind zyklische Kalibrierungen nötig. Die Referenz ADR431 hat eine Langzeitdrift von 40 ppm (über 1000 Stunden). Die ersten 200 Stunden ändert sich der Wert am stärksten, danach sind die Änderungen relativ gering.

Die weiteren Änderungen können in beide Richtungen gehen, d.h. ins Positive und ins Negative. Ein grobe Faustformel besagt, die Änderung der nächsten 1000 Stunden sind geringer als ein Viertel der Änderungen des vorangegangenen Zeitraums, die Referenz wird „ruhiger“.

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