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Parasitäre Effekte beim Schalten mit einem PGIA vermeiden

| Autor / Redakteur: Scott Hunt * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

PGIAs werden für hochgenaue Sensormessungen verwendet. Weniger kompex und dennoch leistungsstark sind Lösungen mit integrierten PGIAs.

Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGIA) werden in Anwendungen für hochgenaue Sensormessungen eingesetzt, um den Dynamikbereich zu maximieren. Die meisten Instrumentenverstärker nutzen zur Einstellung der Verstärkung einen externen Widerstand RG.

Verschiedene Verstärkungen lassen sich durch Multiplexen mehrerer Widerstände einstellen. Vor der Implementierung eines solchen Systems sind jedoch drei wesentliche Punkte zu beachten: die Grenzen der Versorgungsspannung, die kapazitiven Effekte beim Schalten und der Einschaltwiderstand.

CMOS-Schalter benötigen eine Stromversorgung. Wenn die Source- oder Drain-Spannung eines solchen Schalters die Versorgungsspannung übersteigt, fließt ein Fehlerstrom, der unter Umständen ein nicht korrektes Ausgangssignal oder Latch-up-Effekte verursacht.

Der Spannungsabfall über jedem RG-Anschluss liegt innerhalb des Dioden-Spannungsabfalls am entsprechenden Eingang. Aus diesem Grund muss der Signalspannungsbereich des Schalters größer sein als der Eingangsbereich des Instrumentenverstärkers.

Die Schaltkapazität verhält sich wie ein Kondensator an einem der RG-Anschlüsse, während der andere RG-Pin offen bleibt. Eine große Kapazität könnte „Peaking" oder Instabilitäten verursachen. Wichtiger ist jedoch der Einfluss auf die Gleichtaktunterdrückung (CMRR).

Beim Leiterplattenlayout wird die Massefläche normalerweise unter den RG-Pins entfernt, da ein kapazitives Ungleichgewicht unter 1 pF die Gleichtaktunterdrückung beachtlich senkt. Die Kapazität des Schalters kann in der Größenordnung von 10 pF liegen und große Fehler verursachen.

Hier kann ein Schalter mit geringer Kapazität oder eine symmetrische Schaltarchitektur verwendet werden, die als Spannungsteiler fungiert und bei der zwei in der Mitte angeschlossene Multiplexer die Widerstände auswählen.

Letztendlich beeinträchtigt der Einschaltwiderstand des Schalters die Verstärkung. Viel wichtiger ist jedoch, dass sich der Einschaltwiderstand des Schalters mit der Drain-Spannung ändert – spezifiziert als Rflat_on. Die Änderung des Schaltwiderstands gegenüber dem Verstärkungswiderstand bewirkt eine Verstärkungs-Nichtlinearität. Zum Beispiel verursacht ein RG von 1 kΩ und ein Schalter mit einem Rflat_on von 10 Ω eine Verstärkungsunsicherheit von 1% über den Gleichtaktbereich. Ein bestimmter Teil davon wirkt sich auf das differenzielle Signal aus (eine Änderung um 2 Ω würde eine Nichtlinearität von 2000 ppm bewirken).

Eine symmetrische Schaltarchitektur eignet sich am besten, wenn die Eingänge differenziell getrieben werden, da die Drain-Spannung des Schalters durch die eingangsseitige Gleichtaktspannung vorgegeben wird. Die Verstärkungsunsicherheit bleibt dennoch ein Problem. Ein Schalter mit niedrigem Einschaltwiderstand kann zwar verwendet werden, allerdings weisen solche Schalter normalerweise höhere Kapazitäten auf.

Wenn es möglich ist, sollten Sie statt Halbleiterschalter Reed-Relais verwenden, um die parasitären Effekte zu reduzieren.

Eine wesentlich weniger komplexe und dennoch leistungsstarke Lösung ist ein integrierter PGIA wie zum Beispiel bei den Modellen AD8231 oder AD8250. Darüber hinaus lassen sich mit vielen Instrumentenverstärkern willkürlich programmierbare Verstärkungen implementieren.

* Scott Hunt ist Applikationsingenieur in der Gruppe Linear Products bei Analog Devices in Wilmington, U.S.A.

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