Analogtipp A/D-Wandler für präzise Datenerfassungs-Systeme

Die Integration von breitbandigen Filtern in einen A/D-Wandler spart zwar teure Alias-Filter, vergrößerte aber bisher die Chipfläche. Mit neuer Prozesstechnik lassen sich kleinere Transistorgrößen, ausgezeichnetes Rauschverhalten und gute Linearität kombinieren.

Bei präzisen Datenerfassungs-Systemen für moderne industrielle Anwendungen gilt es sorgfältig zwischen Platzbedarf, Stromverbrauch, Auflösung und Bandbreite abzuwägen. Die Minimierung des Stromverbrauchs ist nicht nur für batteriebetriebene Systeme wichtig, sondern trägt auch in netzbetriebenen Anwendungen dazu bei, die Wärmeentwicklung zu verringern.

Bei reduziertem Stromverbrauch können in der Stromversorgung möglicherweise kleinere induktive Bauelemente zum Einsatz kommen, was den Platzbedarf verringert.

Obwohl auch Rauschquellen und andere Einflüsse die Auflösung eines Datenerfassungs-Systems beeinträchtigen können, entscheidet zuallererst der A/D-Wandler über die Auflösung. Der Datenwandler sollte frei von Störtönen und anderen störenden Frequenzkomponenten sein, ein geringes Breitbandrauschen besitzen, damit auch schwache Signale aufgelöst werden können, und niedrige Verzerrungen aufweisen, um gute Spektraleigenschaften zu erzielen.

Letztere sind in Bild 1 für ein System dargestellt, das aus den Bausteinen THS4551 (Differenzverstärker), REF6041 (Referenz) und ADS127L11 (A/D-Wandler) besteht.

Frequenzeigenschaften des A/D-Wandlers

Um veränderliche Signale präzise zu erfassen, sollte ein A/D-Wandler möglichst ideale Frequenzeigenschaften besitzen: einen flachen Durchlassbereich mit geringer Welligkeit, einen steilen Übergangsbereich für eine möglichst große Bandbreite und einen Sperrbereich, dessen Abschwächung bei der Nyquist-Frequenz vollständig zum Tragen kommt, um Alias-Effekte zu minimieren.

Kommt es nämlich zu Alias Effekten, lässt sich das Signal nicht mehr nachträglich korrigieren. Dementsprechend wichtig ist es, Out-of-Band-Signale möglichst ökonomisch abzuschwächen. Der Frequenzgang eines typischen breitbandigen A/D-Wandlers ist in Bild 2 dargestellt.

Breitbandige Filter im A/D-Wandler

Werden breitbandige Filter im Sperrbereich verwendet, sind keine externen (teuren) Anti-Alias-Filter z.B. für SAR-Wandler notwendig. Nachteilig an der Integration eines breitbandigen Filters in den A/D-Wandler ist die dafür erforderliche Chipfläche.

Texas Instruments hat jedoch einen IC-Prozess entwickelt, der sich durch kleine Transistorabmessungen auszeichnet und gleichzeitig im analogen Teil mit ausgezeichnetem Rauschverhalten und guter Linearität aufwartet.

Aufgrund der kleinen Abmessungen reduziert sich die Streukapazität der Gatter, was zusammen mit der niedrigen Schwellenspannung die internen Verluste reduziert. Die kleinen Transistoren im digitalen Teil des A/D-Wandlers weisen nur geringe Schaltströme auf, wodurch wiederum weniger Störgrößen in den digitalen Teil gekoppelt werden.

TI hat mit dem ADS127L11 einen breitbandigen A/D-Wandler entwickelt, der ein um 50 Prozent kleineres Gehäuse, 50 Prozent weniger Stromverbrauch, eine um 3 dB bessere Auflösung und 50 Prozent mehr Sig­nalbandbreite als bestehende Breitband-Datenwandler aufweist, sodass die bisherig nötigen Kompromisse entfallen.

* Mark Berarducci ist System Engineer Delta-Sigma ADC bei Texas Instruments in Tucson / USA.

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