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Multiplizierende D/A-Wandler gekonnt einsetzen

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Multiplizierende D/A-Wandler sind nicht so verbreitet, bieten jedoch vielfältige Möglichkeiten. In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, die ein Signal mit großer Bandbreite verstärken oder abschwächen kann und auch für mobile Anwendungen gut geeignet ist.

Die meisten D/A-Wandler werden mit einer festen, positiven Referenzspannung betrieben und geben eine Spannung oder einen Strom aus, der proportional zum Produkt der Referenzspannung und einem eingestellten, digitalen Wert ist.

Etwas anders liegt der Fall bei den sogenannten multiplizierenden D/A-Wandlern. Hier darf die Referenzspannung variieren, oft im Bereich von ±10 V. Der analoge Ausgang kann also über die Referenzspannung und den digitalen Wert beeinflusst werden, in beiden Fällen dynamisch.

Durch entsprechende Beschaltung kann der Baustein ein Signal ausgeben, das zur Referenz verstärkt, gedämpft oder invertiert ist. Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten im Bereich von Signalform-Generatoren, programmierbaren Filtern, programmierbaren Verstärkern (PGA) und überall dort, wo Offset oder Verstärkung eingestellt werden müssen.

In Bild 1 ist der multiplizierende 14-Bit D/A-Wandler AD5453 mit nachfolgendem Verstärker gezeigt, der ein Signal, je nach programmiertem Wert des D/A-Wandlers, verstärken oder abschwächen kann.

Berechnung der Schaltung

Die Ausgangsspannung Uout der Schaltung wird berechnet sich nach Gleichung 1.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Neben der Verstärkung (engl. gain) und dem eingestellten Wert D des D/A-Wandlers wird die Ausgangsspannung durch die Versorgung des Operationsverstärkers beeinflusst, bzw. begrenzt. Im gezeigten Fall sollte der Verstärker ADA4637-1 bei einer Versorgung von ±15 V maximal bis zu ±12 V ausgeben, um ihm einen genügend großen Regelbereich zu lassen. Die Verstärkung wird über die Widerstände R2 und R3 bestimmt: Verstärkung = (R2 + R3) / R2.

Alle Widerstände (R1 bis R3) sollten den gleichen Temperaturkoeffizienten besitzen, er muss jedoch nicht gleich dem Temperaturkoeffizienten der internen Widerstände des D/A-Wandlers sein. Der Widerstand R1 dient dazu, den internen Widerstand RFB des D/A-Wandlers an die Widerstände R2 und R3 anzupassen. Hierbei gilt:

R1 + RFB = RFB + R2 || R3

R1 = R2 || R3

Die Widerstände müssen so gewählt werden, dass sich der Operationsverstärker bei maximaler Eingangsspannung (der D/A-Wandler verträgt ±10 V an UREF) noch in seinem Arbeitsbereich befindet. Weiterhin ist zu beachten, dass der Eingangsstrom (engl. Input Bias Current, IBias) des Verstärkers mit dem Widerstand RFB + R2 || R3 multipliziert wird, was einen wesentlichen Effekt auf die Offset-Spannung besitzt. Aus diesem Grund wurde der Operationsverstärker ADA4637-1 gewählt, der einen sehr geringen Eingangsstrom und eine sehr geringe Eingangs-Offset-Spannung laut Datenblatt hat. Um Instabilitäten in der geschlossenen Regelung oder Klingeln zu verhindern, ist der 4,7-pF-Kondensator zwischen IOUT und RFB eingefügt, was besonders bei schnellen Verstärkern zu empfehlen ist.

Wie oben schon erwähnt, wird die Offset Spannung des Verstärkers mit der Verstärkung der geschlossenen Regelschleife multipliziert. Ändert sich die Verstärkung, die mit den externen Widerständen eingestellt ist, um einen Wert, der einem digitalen Schritt entspricht, wird dieser auf den gewünschten Wert aufaddiert.

Das erzeugt einen differentiellen Linearitätsfehler. Ist dieser groß genug, kann das zu einem nicht monotonen Verhalten des D/A-Wandlers führen. Um diesen Effekt möglichst nicht entstehen zu lassen, muss ein Verstärker mit geringer Offset-Spannung und kleinem Eingangsstrom gewählt werden.

Vorteile gegenüber anderen Schaltungen

Im Prinzip können auch Standard D/A-Wandler genutzt werden, wenn sie eine externe Referenz zulassen, jedoch gibt es ein paar wesentliche Unterschiede zu den multiplizierenden Wandlern. Standard Wandler können am Referenz-Eingang nur unipolare Spannungen mit einer begrenzten Amplitude verarbeiten. Neben der begrenzten Amplitude ist auch die Bandbreite des Referenzeingangs sehr eingeschränkt.

Hierzu findet man den Wert „Multiplying Bandwith“ im Datenblatt. Bei dem 16-Bit D/A-Wandler AD5664 ist diese mit 340 kHz angegeben. Die multiplizierenden Wandler kommen mit bipolaren Spannungen am Referenzeingang zurecht, die vom Wert her auch über der Versorgungsspannung liegen können. Die Bandbreite liegt deutlich höher, beim AD5453 ist diese mit typisch 12 MHz angegeben.

Fazit: Multiplizierende D/A-Wandler bieten vielfältige Möglichkeiten. Neben dem selbst gebauten PGA mit hoher Bandbreite sind sie auch für mobile Anwendungen gut geeignet, da der Leistungsbedarf unter 50 µW liegt.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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