EP Basics: Signal Chain Welche Vorteile haben Pre-Charge Buffer in A/D-Wandlern?

Von Keith Nicholas *

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Integrierte Puffer für den Analogsignal- und den Referenzeingang entschärfen die Anforderungen an beide Bausteine. Bei Hochleistungs-ADCs verschlechtert sich allerdings die Leistungsfähigkeit, wenn die Signalkette mit zusätzlichen Bauelementen erweitert wird. Pre-Charge Buffer schaffen Abhilfe.

Bild 1: Der breitbandige Delta-Sigma-ADC ADS127L11 (24-Bit, 400 kSample/s) ist mit Pre-Charge Buffern ausgestattet.
Bild 1: Der breitbandige Delta-Sigma-ADC ADS127L11 (24-Bit, 400 kSample/s) ist mit Pre-Charge Buffern ausgestattet.
(Bild: TI)

Entwickler legen beim Design eines A/D-Wandlers die Priorität darauf, den Halbleiterprozess, das Schaltungsdesign und das IC-Gehäuse so zu wählen, dass unter anderem die Offset-Spannung, die Verstärkung, der Signal-Rauschabstand (Signal-to-Noise Ratio, SNR) und der Oberschwingungsgehalt (Total Harmonic Distortion, THD) optimal sind.

Diese Spezifikationen lassen sich durch das Einfügen eines traditionellen Puffers steuern. Allerdings werden diese Puffer nicht selten zur Hauptursache für die Fehler eines Hochleistungs-ADC.

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Eine Alternative zu einem traditionellen Puffer ist der so genannte „Pre-Charge Buffer“, wie er in Bild 1 dargestellt ist. Im folgenden Artikel geht es um die Verwendung und die Vorteile von Pre-Charge Buffern am Analogeingang und am Referenzeingang.

Eine Möglichkeit, die Anforderungen an den Eingangsverstärker zu vereinfachen, besteht in der Verwendung eines Charge-Bucket-Filters an den ADC-Eingängen. Dabei ist die Kapazität des differenziellen Kondensators gegenüber der des internen Abtastkondensators groß.

Dieses einfache, in Bild 2 mit Rfilt und Cfilt bezeichnete RC-Netzwerk, fungiert als Ladungsreservoir, aus dem der Großteil des vom Abtastkondensator am Eingang (Cin) kurzzeitig gezogenen Stroms entnommen werden kann. Der externe Filterkondensator Cfilt reduziert die hohen, im zweistelligen Milliampère-Bereich liegenden Stromimpulse auf Scheitelwerte von weniger als 1 mA und Durchschnittswerte von einigen hundert Mikroampere.

Indem man einen großen externen Eingangskondensator zum Verringern der Stromspitzen nutzt, reduziert man auch die Anforderungen an die Bandbreite des Eingangsverstärkers, sodass mehr Verstärker in Frage kommen. Dies wiederum erlaubt die Optimierung für geringen Stromverbrauch, hohe DC-Performance oder eine Reihe weiterer Design-Kriterien.

Ein großer externer Kondensator begrenzt jedoch zwangsläufig die maximale Frequenz des Eingangssignals – schließlich haben wir es hier mit einem RC-Tiefpassfilter erster Ordnung zu tun. Nachteilig ist ferner, dass die Impedanz des Kondensators bei höheren Eingangsfrequenzen stark zurückgeht, weshalb große Ströme durch den Kondensator fließen. Diese hohen, vom Eingangsverstärker kommenden Ströme bedingen eine für dicht gepackte oder batteriebetriebene Systeme möglicherweise zu hohe Verlustleistung im System.

Viele stromsparende Präzisionsverstärker sind unter Umständen nicht in der Lage, hohe Ströme zu liefern und dabei gleichzeitig gute SNR- und THD-Werte beizubehalten. Wenn die Eingangssignale von sehr geringer Frequenz oder sogar statisch sind, mag die Verwendung eines großen Filterkondensators am Eingang akzeptabel sein. Sobald die Eingangsfrequenz aber die Marke von 10 kHz erreicht oder überschreitet, können der Laststrom und die daraus resultierende Verlustleistung inakzeptabel hoch werden.

Pre-Charge Buffer: Vor- und Nachteile

Eine andere Option, die ebenfalls die Anforderungen an die Treiber des Eingangsverstärkers entschärft, aber nicht zulasten der Genauigkeit des A/D-Wandlers geht, ist ein Pre-Charge Buffer. Es handelt sich dabei um einen speziellen Verstärker, der während der ersten Hälfte des Abtastzyklus den internen Abtastkondensator des A/D-Wandlers lädt, in der zweiten Zyklushälfte dagegen getrennt wird, um eine direkte Verbindung zwischen den ADC-Eingängen und dem internen Abtastkondensator zu ermöglichen.

Durch diese direkte Verbindung im letzten Teil der Abtastphase werden jegliche Fehler des Pre-Charge Buffers aus dem Signalpfad eliminiert. Durch den Pre-Charge Buffer reduziert sich die gesamte dynamische Belastung des externen Eingangsverstärkers um über 99 Prozent.

Ergänzendes zum Thema
Wie funktioniert ein Pre-Charge Buffer?

Ein Pre-Charge-Puffer zum Abtasten von Eingangssignalen und Erzeugen eines abgetasteten Ausgangssignals enthält eine Grobabtastschaltung (AIN-Coarse), eine Feinabtastschaltung (AIN-Fine) und ein Abtast- und Halteglied (AIN-Reset). Die Grobabtastung nimmt eine Vorabtastung der Eingangssignale während der Haltephasen und für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall während der Abtastphasen der entsprechenden Abtast- und Haltezyklen vor und erzeugt ein erstes Ausgangssignal. Die Feinabtastung tastet die Eingangssignale während der Abtastphasen ab und erzeugt ein zweites Ausgangssignal. Die Abtast- und Halteschaltung empfängt das erste und zweite Ausgangssignal und erzeugt ein abgetastetes Ausgangssignal. Die Grobabtastschaltung liefert das erste Ausgangssignal für ein vordefiniertes Zeitintervall während der Abtastphasen, um die Auswirkungen von Ladungsinjek­tion und Ladungsteilung zu verringern. Das System verwendet Bottom-Plate-Sampling, um die durch Schalter in der Grobabtastschaltung verursachte Ladungsinjektion zu verringern.

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Der größte Nachteil eines Pre-Charge Buffers ist der geringe dynamische Strom, der notwendig ist, um das Laden des internen Abtastkondensators in der zweiten Hälfte der Abtastphase abzuschließen. Allerdings macht dieser dynamische Strom weniger als 1 Prozent des Stroms aus, der zum direkten Laden des eingangsseitigen Abtastkondensators ohne Aktivieren des Pre-Charge Buffers erforderlich wäre. Darüber hinaus können Verstärker mit deutlich geringerer Bandbreite und ein kleinerer eingangsseitiger Filterkondensator verwendet werden.

Ein weiterer Pluspunkt eines Pre-Charge Buffers ist der geringere THD-Wert, wenn der Puffer zusammen mit einem externen, breitbandigen Eingangsverstärker zum Einsatz kommt. Ein Pre-Charge Buffers zusätzlich zu einem schnellen Eingangsverstärker kann den THD-Wert sogar um 10 dB und mehr verbessern.

Erkauft wird dies mit einer höheren Leistungsaufnahme (da sowohl der High-Speed-Verstärker als auch die internen Pre-Charge Buffer aktiviert sind). Andererseits besteht die Möglichkeit, zwischen einem geringen Oberschwingungsgehalt und niedriger Leistungsaufnahme abzuwägen.

Beispiel für eine Signalkette mit Pre-Charge Buffer

Bild 2 zeigt eine typische Signalkette mit dem externen Eingangsverstärker und internen Pre-Charge Buffern zum Laden von Cin.

Einzelheiten zum Timing des Pre-Charge Buffers sind Bild 3 zu entnehmen. Bei AIN-Coarse, AIN-Fine und AIN-Reset handelt es sich um die Ansteuersignale für die internen Schaltelemente.

Der interne Schalter ist bei einem Ansteuersignal von 1 ein- und bei einem Ansteuersignal von 0 abgeschaltet. Am Verlauf von Ucin, der Spannung am internen Sample-and-Hold-Kondensator, ist erkennbar, dass die Pre-Charge Buffer die Spannung am internen Kondensator auf 99,9 Prozent des Zielwerts aufladen, was in der Phase AIN-Coarse = 1 einem Wert von 3,98 V entspricht. Dieser Wert muss in der Phase AIN-Fine = 1 vom externen Eingangsverstärker nur noch auf die finale Eingangsspannung von 4 V angehoben werden.

Eingangsstrom ohne Pre-Charge-Puffer

Wie bereits angesprochen, reduzieren die Pre-Charge Buffer den durchschnittlichen Eingangsstrom zum Ansteuern der Eingänge. Der durchschnittliche Eingangsstrom bei aktiven Pre-Charge Buffern folgt Gleichung 13. Zunächst aber soll definiert werden, wie der durchschnittliche Eingangsstrom ohne Pre-Charge Buffer, also bei direkter Ansteuerung der Eingänge aussieht.

Gleichung 1 für den durchschnittlichen Eingangsstrom basiert auf der vertrauten Formel zum Berechnen der Ladungsmenge in einem Kondensator:

Qin = Cin × Uin. (1)
Darin steht Qin für die in Cin gespeicherte Ladung, während Uin die Spannung am Abtastkondensator am Ende der Erfassungsperiode angibt, die nahezu gleich der Spannung an den ADC-Eingängen ist.

Da der Abtastkondensator am Ende der Umwandlungsphase auf 0 V zurückgesetzt wird, lässt sich der durchschnittliche Eingangsstrom mit Gleichung 2 ausdrücken:

Iavg = Qin × Fmod. (2)
Fmod gibt hier die Abtastrate des Modulators bzw. die Abtastfrequenz am ADC-Eingang an.

Im Fall des ADS127L11 beträgt die Abtastrate des Modulators die Hälfte der Haupt-Taktfrequenz Fclk, wenn der High-Speed-Modus aktiv ist. Durch Einsetzen von Gleichung 1 und 3 in Gleichung 2 erhält man Gleichung 4:

Qin = Cin × Uin (1)

Fmod = ½ × Fclk (3)

Iavg = ½ × Fclk × Cin × Uin. (4)

Eingangsstrom mit Pre-Charge-Puffer

Kommen Pre-Charge Buffer zum Einsatz, macht die vom externen Eingangsverstärker kommende Ladung nur einen Bruchteil der Gesamtladung im Eingangskondensator aus. In den Gleichungen 5, 6 und 7 steht G für die Verstärkung des Pre-Charge Buffers, die idealerweise 1 betragen sollte, typisch aber zwischen 0,995 und 1,005 liegt.

Die Spannung Uin-coarse, auf die der Eingangskondensator am Ende der Phase AIN-coarse aufgeladen ist, berechnet sich die vom Pre-Charge Buffer abzugebende Ladung gemäß Gleichung 5 und 6:

Qcoarse = Uin-coarse × Cin (5)

Uin-coarse = G × Uin. (6)

Durch Einsetzen von Gleichung 5 in Gleichung 6 erhält man Gleichung 7:

Qcoarse = G × Cin × Uin. (7)

Da die Gesamtladung im Eingangskondensator am Ende der Erfassungsphase Cin × Uin beträgt, lässt sich die Ladung, die direkt aus den Eingangspins kommen muss, als Qfine bezeichnen und wie folgt berechnen (Gleichungen 8 und 9):

Qtotal = Cin × Uin (8)

Qtotal = Qcoarse + Qfine. (9)

Damit ergibt sich Qfine zu:

Qfine = Qtotal – Qcoarse. (10)

Ersetzt man die Terme Qtotal und Qcoarse durch die Gleichungen 8 und 7 erhält man Gleichung 11 für Qfine:

Qfine = (1 – G) × Cin × Uin. (11)

Durch Einsetzen der Terme aus Gleichung 11 und 4 in Gleichung 2 ergibt sich der durchschnittliche Eingangsstrom bei aktiven Pre-Charge Buffern (12):

Iavg-precharge = ½ × Fclk × (1 – G) × Cin × Uin. (12)

Vergleicht man Iavg-precharge (Gleichung 12) und den Durchschnittseingangsstrom Iavg (Gleichung 4), erkennt man, dass sich der Eingangsstrom ohne Pre-Charge Buffer um den Faktor (1 – G) reduziert hat, wobei G im Fall des ADS127L11 in einem Bereich von 0,995 < G < 1,005 liegt:

Iavg-precharge = (1 – G) × Iavg. (13)

Obwohl der externe Filterkondensator Cfilt einen Großteil des Scheitelstroms liefert, muss der externe Eingangsverstärker nach wie vor einen erheblichen dynamischen Strom beisteuern.

Pre-Charge Buffer: Einfluss auf Durchschnittsstrom und Scheitelstrom

Ganz ähnlich wie der Durchschnittsstrom reduziert sich auch der Scheitelstrom signifikant. Da dies in der Regel auch einen geringeren Oberschwingungsgehalt bewirkt, sorgt ein Pre-Charge Buffer zusammen mit einem schnellen Eingangsverstärker für eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Systems.

Der maximale Eingangsstrom wird durch Rsw, den Widerstand des internen AIN-Fine-Schalters begrenzt und lässt sich mithilfe von Gleichung 14 berechnen. Im Falle des ADS127L11 beträgt der Widerstand des differenziellen Eingangsschalters an den Anschlüssen AINP und AINN 165 Ω.

Bei einer Eingangsspannung von 4 V und ohne Pre-Charge Buffer beläuft sich der Scheitelstrom Ipeak während eines jeden Zyklusses auf etwa 24 mA (Gleichung 15), was für die meisten Präzisionsverstärker recht viel ist. Es ist somit erforderlich, den Großteil dieses Scheitelstroms aus einem Eingangsfilter zu entnehmen.

Ipeak = Uin / Rsw (14)

Ipeak = 4 V / 165 Ω = 24 mA. (15)

Kommen Pre-Charge Buffer zum Einsatz, weicht die Spannung am Abtastkondensator nur sehr wenig, nämlich um den Verstärkungsfehler des Pre-Charge Buffers, von der Eingangsspannung ab, sobald der Schalter AIN-Fine geschlossen ist. Bei einem Wert von G = 0,995 laden die Pre-Charge Buffer den Eingangskondensator auf etwa 3,98 V auf, bevor die direkte Verbindung zu den ADC-Eingängen hergestellt wird.

Der daraus resultierende maximale Eingangsstrom von ungefähr 121 µA lässt sich durch Einsetzen der betreffenden Werte in Gleichung 16 ermitteln. Die Ergebnisse finden sich in den Gleichungen 17 und 18.

Ipeak = (Uin – Ucin) / Rsw (16)

Ipeak = (4 V – 3,98 V) / 165 Ω (17)

Ipeak = 121 μA (18)

Da sich durch die Pre-Charge Buffer sowohl der Durchschnittswert als auch der Scheitelwert des Eingangsstroms verringert, können externe Eingangsverstärker mit Bandbreiten von weniger als 10 MHz verwendet werden. Die Auswahl an geeigneten Verstärkern ist folglich viel größer und das niederfrequente Rauschen, das Breitbandrauschen, die Offsetspannung lassen sich optimieren. Das gilt auch für weitere Spezifikationen der jeweiligen Applikation.

Pre-Charge Buffer: Ein Praxisbeispiel

Der ADS127L11 besitzt auch am Referenzeingang einen integrierten Pre-Charge Buffer, der hier ebenso wie am Signaleingang die Aufgabe hat, den Durchschnitts- und den Scheitelwert des Eingangsstroms zu reduzieren. Im Fall des ADS127L11 und bei einer typischen externen Referenzspannung von 4,096 V beträgt der durchschnittliche Eingangsstrom ohne Pre-Charge Buffer 778 µA (im High-Speed-Modus und mit einer Taktfrequenz von 25,6 MHz).

Die meisten Referenzen können zwar ohne weiteres einen durchschnittlichen Strom von 778 µA treiben, jedoch enthalten viele Systeme bis zu acht oder mehr ADC-Kanäle. Bei einem achtkanaligen System kommt somit ein Referenzstrom von insgesamt 8 x 778 µA, also 6,2 mA zusammen, was für eine Präzisionsreferenz recht viel ist.

Zum Beispiel ist der Referenzbaustein REF6041 für einen maximalen Ausgangsstrom von 4 mA ausgelegt, sodass in diesem Fall eine Referenz allein nicht ausreicht, um die acht ADC-Referenzeingänge anzusteuern.

Eine weitere gute Option ist die Referenz REF7025, die sich durch ein geringes Niederfrequenz-Rauschen und eine äußerst geringe Langzeitdrift auszeichnet. Obwohl die REF70-Familie für einen Ausgangsstrom von maximal 10 mA spezifiziert ist, sollte dieser Strom dennoch möglichst niedrig gehalten werden, um mit dieser Referenz eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen.

Mit dem eingebauten Pre-Charge Buffer für den Referenzeingang lässt sich diese Einschränkung umgehen, da der durchschnittliche Eingangsstrom auf 2 µA pro A/D-Wandler zurückgeht. Eine einzige Referenz kann daher ohne Überlastungsgefahr mehrere Kanäle ansteuern. Damit kann man auf zusätzliche externe Verstärker verzichten, was wiederum die Leiterplattenfläche und die Kosten verringert.

Bild 4 illustriert, wie sich dank der inte­grierten Pre-Charge Buffer für die Referenzeingänge mehrere A/D-Wandler von einer einzigen Referenz ansteuern lassen.

Fazit: Je nachdem, welche Referenz und welche Eingangsverstärker in einem Design verwendet werden, lassen sich die übergeordneten Systemspezifikationen möglicherweise auch ohne eingebaute Pre-Charge Buffer erfüllen. Besteht die Option zum Aktivieren interner Pre-Charge Buffer, ergibt sich deutlich mehr Flexibilität, was die Auswahl an externen Bauelementen angeht, sodass eine weitere Möglichkeit zum Optimieren des Systemdesigns entsteht.

* Keith Nicholas ist Applikationsingenieur „Precision ADC“ bei Texas Instruments in Medina / USA.

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