Analogtipp D/A-Wandler als programmierbare Spannungsreferenz einsetzen

Von Gavin Bakshi *

D/A-Wandler bieten eine flexible Möglichkeit, sehr genaue, driftarme und programmierbare Referenzspannungen für ein System bereitzustellen. Sie weisen einen geringeren Gesamtfehler und eine geringe Drift auf und liefern Hochvolt- Ausgangsspannungsbereiche, ohne dass eine externe Verstärkung erforderlich ist.

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Analogtipp: DAC als programmierbare Spannungsreferenz einsetzen: Das müssen Sie wissen.
Analogtipp: DAC als programmierbare Spannungsreferenz einsetzen: Das müssen Sie wissen.
(Bild: Elektronikpraxis)

Obwohl viele Systeme in den Sparten Automotive, Kommunikation und Industrie inzwischen digital implementiert sind, werden die Front-Ends dieser Systeme nach wie vor analog realisiert. Diese bestimmen letztendlich die Genauigkeit. Analoge Subsysteme sind aber auf exakte Referenzspannungen und Referenzströme angewiesen.

D/A-Wandler eignen sich sehr gut als Referenzspannungs-Quellen und bieten hier den Vorteil der Programmierbarkeit. Bei dieser Verwendung kommt es vorrangig auf drei Angaben an.

1. Ausgangsbereich: Die erste wichtige Aussage bezieht sich auf den Ausgangsbereich. Einige D/A-Wandler wie der DAC81404 stellen mehrere Ausgangsbereiche zur Auswahl.

Bild 1: 
Der D/A-Wandler DAC81404 als programmierbare Spannungsreferenz mit der Möglichkeit, Verschiebungen des Massepotenzials zu kompensieren.
Bild 1: 
Der D/A-Wandler DAC81404 als programmierbare Spannungsreferenz mit der Möglichkeit, Verschiebungen des Massepotenzials zu kompensieren.
(Bild: TI)

Bild 1 illustriert eine besondere Eigenschaft, mit dem dieser Baustein einen Spannungsabfall an der vom D/A-Wandler angesteuerten Last (RLOAD) erfasst. Abhängig von diesem Spannungsabfall kann der DAC-Ausgang erhöht oder verringert werden, damit sich genau die gewünschte Ausgangsspannung einstellt.

Diese sogenannte „VSENSE“-Funktion verbessert die Genauigkeit des D/A-Wandlers und kommt damit der Präzision des gesamten Systems zugute. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, einen asymmetrischen bipolaren Ausgangsbereich von beispielsweise –3 bis 23 V zu realisieren.

2. Langzeitstabilität und Drift: Ein weiteres wichtiges Kriterium für eine gute Referenz ist die Langzeit- und Temperaturstabilität. Die meisten Halbleiterhersteller spezifizieren in ihren Datenblättern die Stabilität der Ausgangsspannung über eine gewisse Zeitspanne (meist 1.000 Stunden).

Diese beträgt im Fall des DAC81404 ±6 ppm. Die interne Präzisions-Referenz des DACs weist außerdem eine maximale Worst-Case-Drift von 10 ppm/°C auf. Sollte diese Genauigkeit für eine bestimmte Anwendung nicht ausreichen, kann auf eine externe Referenz zurückgegriffen werden.

DAC: TUE-Wert als Maß für die DC-Genauigkeit

3. DC-Genauigkeit: Als weitere Kennzahl zum Charakterisieren von Präzisions-DACs kommt der TUE-Wert (Total Unadjusted Error) hinzu.

Dabei handelt es sich um das quadratische Mittel der integralen Nichtlinearität (INL), des Offsetfehlers (FOffset) und des Verstärkungsfehlers (FVerstärkung) des D/A-Wandlers:

TUEDAC = (INL2 + FOffset2 + FVerstärkung2)–1/2.
Der TUE-Wert ist nicht nur die beste Möglichkeit, alle wichtigen DC-Fehler eines D/A-Wandlers in einer Kennzahl zusammenzufassen, sondern er definiert auch die Genauigkeit eines D/A-Wandlers umfassend.

Moderne DACs wie der DAC81404 bieten einen extrem niedrigen TUE-Wert von maximal 0,05 % vom Bereichsendwert. Wichtig ist ein geringer TUE-Wert, weil der DAC einen bestimmten Wert über die Zeit und den Temperaturbereich halten muss. Insbesondere beim Einsatz als programmierbare Spannungsreferenz ist dies unverzichtbar.

Programmierbarkeit einer Referenz: DAC vs. feste Referenz

Warum ist die Programmierbarkeit bei einer Referenz so wichtig? Welche Probleme löst sie im Vergleich zu einer festen Referenz? Die Programmierbarkeit stellt einen entscheidenden Bonus dar, denn die Ausgangsspannung kann dadurch an geänderte Umgebungsbedingungen oder Systemanforderungen angepasst werden.

Auch eine Kali­brierung während der Fertigung ist möglich. Durch Ändern des digitalen Eingangswerts lässt sich der DAC-Ausgang einfach auf jeden gewünschten Wert einstellen.

* Gavin Bakshi ist Produktmarketing-Ingenieur für D/A-Wandler bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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