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Lassen Sie sich nicht beim Rasen erwischen!

| Redakteur: Kristin Rinortner

(Bild: sobakasu - Fotolia)

Frage: Mein Verstärker verhält sich beim Multiplexing von Kanälen nicht richtig. Was könnte die Ursache sein?

Antwort: Manche Menschen (speziell Ingenieure) behaupten, man kann eine Strafe wegen Geschwindigkeitsüberschreitung abwehren, indem man das Kalibrierzertifikat des Radarsystems anfordert. Hintergrund ist, dass es nicht möglich ist, den Fahrer wegen erhöhter Geschwindigkeit zu belangen, wenn die Kalibrierung des Systems fällig ist.

Ob dies wirklich jedes Mal funktioniert (das Messgerät wurde eventuell erst vor kurzem kalibriert) ist fraglich. Möchten Sie ein Bußgeld wegen erhöhter Geschwindigkeit vermeiden, ist es sicherer, die zulässige Geschwindigkeit einzuhalten. Doch was passiert, wenn man nicht bemerkt, dass man zu schnell gefahren ist? Denn diese Entschuldigung funktioniert normalerweise nicht.

Bild 1: Spannungsfolger mit Multiplexer-Eingang.
Bild 1: Spannungsfolger mit Multiplexer-Eingang. (Bild: Analog Devices)

Das gleiche kann mit Verstärkern passieren. Es gibt Anwendungen, bei denen Entwickler vergessen, dass der Verstärkereingang an eine Quelle mit sehr schnellen Transienten angeschlossen ist. Das ist beispielsweise der Fall bei einem Multiplexer, der durch einen Spannungsfolger (oder einen Instrumentenverstärker) gepuffert ist (Bild 1).

Wenn die Eingangssignale statisch und durch RC-Netzwerke gefiltert sind, um die Rauschbandbreite oder HF-Interferenzen zu reduzieren, muss der Verstärker schnell genug sein, um zwischen den Übergängen einzuschwingen. Daher müssen bei der Auswahl eines geeigneten Verstärkers die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und die Bandbreite beachtet werden.

Manchmal ist jedoch bei einer nachfolgenden Messung im Labor das Ergebnis nicht wie erwartet. Der Verstärkerausgang bewegt sich langsam und hat einen ungewöhnlichen Signalverlauf mit einer langen Einschwingphase. Die Einschwingzeit entspricht nicht annähernd den Spezifikationen. Was könnte das Problem sein?

Vieles könnte schiefgelaufen sein. Grundsätzlich aber werden beim Kanalwechsel die Verstärkereingänge überlastet. Falls sich der Ausgang nicht so schnell bewegt wie der Eingang, erscheint über den beiden Eingängen eine große differenzielle Spannung. Dies kann die Eingangstransistoren in die Sättigung bringen, den Eingangs-Biasstrom erhöhen, die internen Schutzdioden in Vorwärtsrichtung vorspannen oder andere unerwünschte Effekte bewirken.

Die eigentliche Reaktion auf diese Kanalumschaltung ist abhängig von der Eingangstopologie, der Prozesstechnologie und von internen Schutzschaltungen. Außerdem hängt sie von der Geschwindigkeit der Transienten sowie der Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Kanälen ab.

Zusätzlich zur Reaktion des Verstärkers auf die Überlastsituation lädt oder entlädt der erhöhte Eingangs-Biasstrom (auch wenn er nur in der parasitären Kapazität zwischen dem Multiplexer und dem Operationsverstärker fließt) den Kondensator an der Eingangsseite des Multiplexers. Diese Störung, die den ursprünglichen Spannungspegel verändert, lässt sich nur durch den Widerstand zwischen der Quelle und dem Kondensator ausgleichen. Falls die Zeitkonstante des Filters groß ist, zeigt sich am Ausgang des Verstärkers eine lange Einschwingphase.

Verschiedene Dinge können getan werden, um dieses Problem – je nach der Ursache – zu beheben. Eine preiswerte Lösung besteht darin, Widerstände in Reihenschaltung in die jeweiligen Eingangspfade einzubinden, die mit der schnellen Quelle verbunden sind – in diesem Fall der Multiplexer. So lässt sich eventuell vermeiden, dass der Eingang in die Sättigung gelangt, indem die Impedanz, die die Quelle während der Transienten „sieht“, erhöht wird.

An einem DAC-Ausgang, oder wenn ein Verstärker verwendet wird, um ein Rechtecksignal von einem Mikrocontroller oder FPGA aufzubereiten, kann ein einfaches RC-Glied helfen, die Flanke zu bremsen und den Verstärker bei Laune zu halten. Jeder Fall erfordert eine Analyse, um die beste Lösung zu ermitteln. Auf die Transienten ist jedoch stets zu achten. Und denken Sie daran, die beste Möglichkeit Probleme zu vermeiden, besteht darin, langsam zu machen!

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

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