Rauschanalyse der Signalkette bei der Präzisionsdatenerfassung

| Autor / Redakteur: Maithil Pachchigar * / Kristin Rinortner

Bild 1: Komplett differenzielle Datenerfassungssignalkette mit 18 Bit und 1 MSample/s (vereinfachtes Blockschaltbild, nicht alle Verbindungen sind dargestellt).
Bild 1: Komplett differenzielle Datenerfassungssignalkette mit 18 Bit und 1 MSample/s (vereinfachtes Blockschaltbild, nicht alle Verbindungen sind dargestellt). (Bild: Analog Devices)

Die Rauschanalyse gibt Informationen darüber, welchen Beitrag die Bauteile zum Gesamtrauschen leisten. Wir erläutern das Vorgehen am Beispiel einer differenziellen Datenerfassungskette.

In vielen Anwendungen wird von der analogen Eingangsstufe entweder ein massebezogenes oder ein differenzielles Signal genutzt. In der analogen Eingangsstufe wird je nach Erfordernis eine Verstärkung oder Dämpfung bzw. eine Antialiasing-Filterung oder eine Pegelanpassung durchgeführt, bevor sie die Eingänge des A/D-Wandlers bis zum vollen Eingangsbereich treibt. Der Artikel gibt einen Einblick in die Rauschanalyse der Signalkette bei der Präzisionsdatenerfassung und erklärt, wie man das Gesamtrauschen in dieser Signalkette ermittelt.

Wie Bild 1 zeigt, treibt der rauscharme, komplett differenzielle Verstärker ADA4940-1 die differenziellen Eingänge des 18-Bit-Wandlers AD7982 aus der PulSAR-Familie. Die rauscharme 5-V-Präzisionsreferenz ADR435 stellt die Versorgungsspannung für den A/D-Wandler bereit. Diese Signalkette vereinfacht die Analogsignal-Aufbereitung, indem sie eine zusätzliche Treiberstufe und Referenzpuffer einspart.

Ein einpoliger RC-Tiefpassfilter (22 Ω, 2,7 nF) mit 2,7 MHz wird zwischen den ADC-Treiberausgang und die ADC-Eingänge platziert, um das Rauschen an den ADC-Eingängen zu begrenzen und das „Nebenrauschen“ aus dem kapazitiven D/A-Wandler-Eingang des SAR-ADC zu reduzieren.

Beim Einsatz des ADA4940-1 als ADC-Treiber können Anwender die erforderliche Signalaufbereitung einschließlich der Pegelanpassung und Dämpfung oder Signalverstärkung für einen größeren Dynamikbereich mithilfe von vier Widerständen durchführen. Dadurch entfällt eine zusätzliche Treiberstufe. Das Verhältnis der Rückkopplungswiderstände (R2 = R4) zu den Verstärkungswiderständen (R1 = R3) legt die Verstärkung fest. Dabei sind R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ.

Ein symmetrisches differenzielles Eingangssignal ergibt sich mit der effektiven Eingangsimpedanz von 2x Verstärkungswiderstand (R1 oder R3) = 2 kΩ. Für ein asymmetrisches (massebezogenes) Eingangssignal beträgt die effektive Impedanz Zin etwa 1,33 kΩ entsprechend Gleichung 1.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Ein Abschlusswiderstand parallel zum Eingang kann verwendet werden, falls dies erforderlich sein sollte.

Die interne Gleichtaktrückkopplungsschleife des ADA4940-1 bewirkt, dass die Gleichtaktausgangsspannung der Spannung am Eingang UOCM entspricht. Sie bietet darüber hinaus eine ausgezeichnete Ausgangssymmetrie.

Die differenzielle Ausgangsspannung hängt von UOCM ab, wenn die beiden Rückkopplungsfaktoren β1 und β2 nicht gleich sind und eine Asymmetrie der Ausgangsamplitude oder Phase am Ausgang eine unerwünschte Gleichtaktkomponente produziert und redundantes Rauschen und Offset am differenziellen Ausgang verursacht.

Deshalb ist es erforderlich, dass die Kombination von Eingangsquellenimpedanz und R1 (R3) in diesem Fall 1 kΩ beträgt (β1 = β2), um eine Fehlanpassung in der Gleichtaktspannung jedes Ausgangssignals zu vermeiden und den Anstieg des Gleichtaktrauschens im ADA4940-1 zu verhindern.

Bei der Ausbreitung von Signalen über die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder über längere Kabel akkumuliert sich das Systemrauschen in den Signalen und ein A/D-Wandler mit differenziellem Eingang unterdrückt jedes Signalrauschen, das als Gleichtaktspannung auftritt.

Das erwartete Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) dieses Datenerfassungssystems lässt sich theoretisch berechnen, indem man den Effektivwert jeder Rauschquelle – also von ADA4940-1, ADR435 und AD7982 bildet.

Der ADA4940-1 bietet ein geringes Rauschen von durchschnittlich 3,9 nV/√Hz bei 100 kHz (Bild 2).

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44788261 / Grundlagen)