SAR-Wandler mit PGA erreicht Dynamik von 125 dB

Für Anwendungen mit einem hohen Dynamikbereich wird oft ein Sigma-Delta Wandler eingesetzt. Diese Anwendungen sind oft in der chemischen Analyse, der Medizin und Wägetechnik zu finden. Viele dieser Bausteine besitzen nicht die Möglichkeit einer schnellen Wandlung. Die folgende Schaltung beschreibt einen solchen Ansatz, der eine hohe Dynamik kombiniert mit hoher Wandlungsrate.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt einen 16-Bit SAR-Wandler mit 2,5 MSample/s und einem vorgeschalteten, programmierbaren Instrumentenverstärker, der die Verstärkung auf 1 oder 100 einstellt. Durch Überabtastung und weiterer digitaler Signalverarbeitung im FPGA erreicht diese Schaltung eine Dynamik von größer 125 dB und ist dennoch sehr rauscharm. Die hohe Dynamik wird zum einen durch die automatische Umschaltung des AD8253 erreicht, zum anderen durch eine Überabtastung (Oversampling).

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Hierbei wird das Signal mit einer deutlich höheren Rate abgetastet, als mit der Nyquist Frequenz. Als Faustregel gilt hierbei: eine Verdopplung der Abtastfrequenz verbessert den Signal-Rauschabstand (SNR) etwa um 3 dB – bei originaler Bandbreite des Signals. In der Schaltung aus Bild 1 wird im FPGA noch eine digitale Filterung angewandt, um das Rauschen oberhalb der interessanten Signalbandbreite zu entfernen. Das Prinzip wird in Bild 2 dargestellt.

Um die maximale Dynamik zu erreichen, wird der Instrumentenverstärker im Eingang benutzt, der die sehr kleinen Signale um den Faktor 100 verstärkt. Nachfolgend ein paar Betrachtungen zum Rauschen:

Für die Anforderung der Dynamik von >126 dB ergibt sich ein maximales Rauschen von 1 µVeff bei einem Eingangssignal von 3 V (6 Vp-p). Der AD7985 ist ein 16-Bit SAR-Wandler mit 2,5 MSample/s. Betreibt man diesen nun mit 600 kSample/s (für geringe Verlustleistung von 11 mW) und stellt eine Überabtastung von 72 ein, so ergibt sich eine Abtastrate von etwa 8 kSample/s und damit eine Bandbreite von 4 kHz.

Aus diesen Bedingungen ergibt sich eine Rauschdichte (noise density, ND) von maximal 15,8 nV/√Hz. Dieser Wert ist wichtig für die Auswahl des richtigen Instrumentenverstärkers. Der A/D-Wandler hat einen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von typisch 89 dB, durch die 72 fache Überabtastung erhält man zusätzliche 18 dB, damit fehlen noch etwa 20 dB um das Ziel von 126 dB zu erreichen, was Aufgabe des Instrumentenverstärkers ist. Der AD8253 hat bei einer Verstärkung von 100 einen Wert von 11 nV/√Hz, der folgende AD8021, der als ADC-Treiber und zur Pegelanpassung eingesetzt wird, steuert weitere 2,1 nV/√Hz Rauschen bei.

Die analoge Signalkette wird durch die Spannungsreferenz ADR439 (oder REF194) sowie einen ADA4004-2 als Referenzpuffer und Treiber zur Erzeugung der Offsetspannungen komplettiert.

Neben den Bauteilen im analogen Pfad ist der FPGA (oder ein Prozessor) wichtig für die Leistungsfähigkeit der Schaltung. Eine bedeutende Aufgabe ist die Umschaltung der Verstärkung des Instrumentenverstärkers von 1 auf 100. Dazu werden einige Schwellwerte programmiert, damit der A/D-Wandler nicht in die Sättigung geht. So wird der AD8253 bei Eingangsspannungen bis etwa 20 mV mit einer Verstärkung von 100 betrieben, was zu maximal 2,0 V am Eingang des A/D-Wandlers führt. Danach wird durch den FPGA verzögerungsfrei die Verstärkung des AD8253 auf 1 reduziert und damit ein Übersteuern verhindert (siehe Bild 3).

Varianten der Schaltung können mit anderen A/D-Wandlern betrieben werden, wie z.B. dem AD7980 (16 Bit, 1 MSample/s), AD7982 (18 Bit, 1 MSample/s) oder AD7986 (18 Bit, 2 MSample/s). Ebenso kann statt des AD8253 mit Verstärkungen von 1, 10, 100 und 1000 ein Instrumentenverstärker mit kleineren Bereich wie z.B. der AD8251 eingesetzt werden (Verstärkung 1, 2, 4, 8). Ebenso sind Variationen bei der Wahl der Referenzspannung möglich.

Ein komplettes Entwicklungssystem findet man hier.

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

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