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Analogsignale aufgedröselt Wie wirkt sich das Rauschen von Spannungsreferenzen auf Delta-Sigma-ADCs aus? (Teil 8)

| Autor / Redakteur: Bryan Lizon* / Kristin Rinortner

Im achten Teil unserer Serie zeige ich Ihnen, wie Sie die Auswirkungen des Rauschens von Spannungsreferenzen auf das Gesamtsystem verringern können. Gibt es eigentlich Unterschiede zwischen A/D-Wandlern mit hoher und geringer Auflösung?

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Bild 1: ADC-Rauschen, Referenzrauschen und effektive Auflösung als Funktion der prozentualen Ausnutzung des Messbereichs.
Bild 1: ADC-Rauschen, Referenzrauschen und effektive Auflösung als Funktion der prozentualen Ausnutzung des Messbereichs.
(Bild: Texas Instruments )

Im letzten Teil der Artikelserie „Analogsignale aufgedröselt“ habe ich mich mit dem Zusammenhang zwischen dem Rauschen des A/D-Wandlers und dem Rauschen der Spannungsreferenz befasst und erklärt, wie sich die Verstärkung auf das Rauschen der Spannungsreferenz und das Systemrauschen auswirkt.

Nun stelle ich mehrere Methoden vor, mit denen Sie die Auswirkungen des Rauschens von Spannungsreferenzen auf das Gesamtsystem verringern können. Außerdem untersuche ich, wie sich das Referenzrauschen auf gering- und hochauflösende A/D-Wandler auswirkt.

Wie lassen sich die Auswirkungen des Referenzrauschens eindämmen?

Das Ausmaß des in ein Datenerfassungssystem gelangenden Referenzrauschens wird nicht nur von den Rauscheigenschaften der Referenz bestimmt, sondern auch davon, wie der Messbereich ausgeschöpft wird (in Prozent). Um diese Abhängigkeit zu demonstrieren, habe ich das ADC-Rauschen, das Referenzrauschen und das Gesamtrauschen als Funktion der prozentualen Ausnutzung des Messbereichs (Eingangsspannung) in grafisch dargestellt, wobei eine 2,5-V-Referenz zugrunde gelegt ist. Bild 1 zeigt dieses Diagramm für den ADS1261 von Texas Instruments, einen 24-Bit Delta-Sigma-ADC mit integriertem PGA.

Bei 40% des Messbereichs fängt das Referenzrauschen an das Gesamtrauschen des Systems zu dominieren, wodurch der Rauschvorteil eines hochauflösenden A/D-Wandlers zunichte gemacht wird. Es gibt drei Techniken, mit denen Sie das Referenzrauschen eindämmen und von den Vorteilen von Delta-Sigma-ADCs beim Rauschen profitieren können.

1. Wählen Sie eine rauschärmere Referenz. Zu den einleuchtendsten Möglichkeiten, das Referenzrauschen im System zu verringern, gehört die Verwendung einer rauschärmeren Spannungsreferenz. Hierdurch werden die roten Balken in Bild 1 kleiner, und der Messbereich lässt sich dadurch besser ausnutzen. Ich hatte jedoch auch schon im siebten Teil darauf hingewiesen, dass die Höhe des Referenzrauschens für jedes Eingangssignal auf die Höhe des ADC-Rauschens abgestimmt werden muss.

Wird beispielsweise ein Eingangssignal von 2,5 V mit dem ADS1261 quantisiert, kann nur eine Verstärkung von 1 V/V verwendet werden. Unter diesen Umständen hätte die Wahl einer Spannungsreferenz mit weniger Rauschen als der Baustein REF6025 nur geringe Auswirkungen auf das Gesamtrauschen des Systems, weil der Messbereich zu einem so hohen Prozentsatz ausgenutzt wird (Bild 1).

2. Verwenden Sie eine höhere Referenzspannung. Eine weitere Methode, um die Auswirkungen des Referenzrauschens zu reduzieren, besteht im Anheben der Referenzspannung, wodurch sich die Ausnutzung des Messbereichs ebenfalls verändert. Ein Verdoppeln der Referenzspannung bewirkt beispielsweise eine Verringerung der Ausnutzung des Messbereichs um den Faktor 2.

Vorteilhaft für das Systemrauschen ist diese Maßnahme jedoch nur, solange es keine proportionale Zunahme des Referenzrauschens gibt, was jedoch nicht immer der Fall ist. Bei vielen Familien diskreter Spannungsreferenzen ist das Rauschen in µV/V angegeben, da sich das Referenzrauschen linear mit der Referenzspannung verändert. In diesem Fall verdoppelt sich das Referenzrauschen also, wenn die Referenzspannung verdoppelt wird, sodass sich das Systemrauschen nicht verbessert, obwohl die Ausnutzung des Messbereichs sinkt.

3. Reduzieren Sie die effektive Rauschbandbreite (ENBW). Als dritte Möglichkeit, das in ein System gelangende Referenzrauschen zu verringern, ist das Begrenzen der ENBW. Eine Möglichkeit besteht darin, die Grenzfrequenzen des Anti-Alias- oder Referenzfilters zu reduzieren. Ich empfehle jedoch die Verwendung von C0G-Kondensatoren in den Filtern des Eingangssignalpfads, weil sich diese Kondensatoren durch niedrige Spannungs- und Temperaturkoeffizienten auszeichnen.

Typische C0G-Kondensatoren für Signalketten sind jedoch nur mit Kapazitätswerten bis etwa 10 bis 15 nF erhältlich, sodass die Grenzfrequenz des Anti-Alias-Filters nicht beliebig verkleinert werden kann. In Referenzfiltern können dagegen X7R-Kondensatoren mit höherer Kapazität eingesetzt werden, weil die Ausgangsspannung der Spannungsreferenz praktisch konstant ist. Für beide Filtertypen sollten ferner drift- und impedanzarme Widerstände (<10 kΩ) verwendet werden, da das thermische Rauschen eines Widerstands mit der Impedanz größer wird und das Rauschen der Signalkette zu dominieren beginnen kann.

Bild 2: Durch Begrenzen der ENBW verringert sich das Gesamtrauschen: 96 Hz (links), 24 Hz (Mitte), 4,8 Hz (rechts).
Bild 2: Durch Begrenzen der ENBW verringert sich das Gesamtrauschen: 96 Hz (links), 24 Hz (Mitte), 4,8 Hz (rechts).
(Bild: Texas Instruments )

Ein üblicherer Weg die System-ENBW zu verringern, besteht darin, die Ausgangs-Datenrate des A/D-Wandlers zu verringern. Bild 2 macht deutlich, wie sich dadurch sowohl das ADC- als auch das Referenzrauschen reduziert. Wie man sieht, verringert sich das Referenzrauschen zwischen ENBW = 96 Hz (links) und ENBW = 0,6 Hz (rechts) bei 100%-iger Ausnutzung des Messbereichs um den Faktor 2,3, während das ADC-Rauschen sogar auf ein Zehntel sinkt, wodurch das Gesamtrauschen erheblich geringer ausfällt.

Die drei genannten Methoden können also das Referenzrauschen in vielen Anwendungen eindämmen. In anderen Systemen können jedoch bestimmte Parameter, wie die Einschwingzeit oder die Ausgangsspannung eines Sensors, vorgegeben sein. Hier lassen sich die beschriebenen Techniken nur bedingt anwenden. In diesen Fällen lässt sich das in das System gelangende Referenzrauschen reduzieren, indem die passende Referenz-Konfiguration (intern, extern oder ratiometrisch) gewählt wird.

A/D-Wandler mit internen Spannungsreferenzen

Präzisions-ADCs enthalten häufig integrierte, präzise Spannungsreferenzen, die in der Regel für viele Anwendungen geeignet sind. Bei einer integrierten Referenz entfallen die Mehrkosten, der zusätzliche Platzbedarf und der Stromverbrauch einer externen Referenz. Allerdings haben interne Referenzen in der Regel eine geringere Leistung und weisen mehr Rauschen und eine stärkere Drift auf als externe Präzisions-Referenzen, was ihre Eignung für einige hochpräzise Systeme einschränkt.

Bild 3: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261.
Bild 3: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261.
(Bild: Texas Instruments )

In Bild 3 ist der ADS1261 an einer Widerstandsmessbrücke zu sehen, wobei die integrierte Spannungsreferenz des Bausteins als Referenzquelle für die Messung herangezogen wird.

Wenn die Spezifikationen einer integrierten Spannungsreferenz nicht ausreichen und der A/D-Wandler eine externe Referenzquelle zulässt, können Sie auf eine externe Spannungsreferenz zurückgreifen. Externe Referenzen bieten generell ein geringeres Rauschen und bessere Driftwerte als integrierte Referenzen.

A/D-Wandler mit externen Spannungsreferenzen

Diese höhere Leistungsfähigkeit wird allerdings mit einem höheren Stromverbrauch, zusätzlichen Kosten und einem erhöhten Platzbedarf auf der Leiterplatte erkauft. Da sich aber A/D-Wandler und Spannungsreferenz nicht auf demselben Chip befinden, korrelieren zudem die Temperaturdriften nicht mehr unbedingt, anders als es bei einer integrierten Referenz der Fall ist. A/D-Wandler und Referenz können daher unabhängig und in verschiedenen Richtungen driften, was zu größeren Ungenauigkeiten führt. Um dieses Problem zu vermeiden, sollten Sie beide Bausteine mit einer gut wärmeleitenden Massefläche verbinden.

Hilfreich beim Einsatz eines A/D-Wandlers mit einer externen Referenz ist es, den negativen Eingang der externen Referenz (REFN) mit dem Masse-Pin der externen Referenz zu verbinden und nicht direkt mit der Masse der Leiterplatte. Hierdurch entsteht eine sternförmige Konfiguration, die das Einkoppeln von Rauschen in den negativen Referenzeingang unterbindet und für präzise Messergebnisse sorgt.

Bild 4: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261 und einer externen Referenz vom Typ REF6025.
Bild 4: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261 und einer externen Referenz vom Typ REF6025.
(Bild: Texas Instruments )

Bild 4 zeigt wieder die Widerstandsmessbrücke aus Bild 3, hier allerdings mit einer externen Spannungsreferenz des Typs REF6025 anstelle der internen Referenz des ADS1261.

Die Verwendung einer ratiometrischen Konfiguration ist immer dann angezeigt, wenn der Sensor eine Versorgung benötigt, wie es beispielsweise bei einer Widerstandsmessbrücke oder bei Widerstandsthermometern (RTD, Resistance Temperature Detectors) der Fall ist. In dieser Konfiguration wird für den analogen Eingang und die Referenzspannung dieselbe Versorgung verwendet, sodass sich jegliche Rausch- oder Drifteffekte der Spannungsquelle gleich auf die Messung und die Referenz auswirken.

A/D-Wandler mit ratiometrischen Spannungsreferenzen

Da der Code am Ausgang des A/D-Wandlers das Verhältnis zwischen Eingangssignal und Referenz wiedergibt, heben sich das Rauschen und die Drift der Spannungsquelle auf, sodass die Rauscheigenschaften deutlich näher an jenen liegen, die bei kurzgeschlossenem Eingang zu verzeichnen sind. Im Allgemeinen ergibt diese Konfiguration im Vergleich mit den beiden anderen Konfigurationen das geringste Gesamtrauschen.

Der Hauptnachteil der ratiometrischen Referenz ist, dass sie sich nur für Fälle eignet, in denen der Sensor eine Versorgung benötigt. In allen anderen Situationen muss man stattdessen eine der beiden anderen Konfigurationen wählen.

Bild 5: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261 und einer ratiometrischen Referenz.
Bild 5: Messung an einer Widerstandsmessbrücke mit dem ADC1261 und einer ratiometrischen Referenz.
(Bild: Texas Instruments )

Bild 5 zeigt die gleiche Schaltung wie die Bilder 3 und 4, allerdings mit einer ratiometrischen Referenz-Konfiguration. Wie man sieht, wird die 5-V-Spannungsversorgung der Messbrücke auch als externe differenzielle Referenzspannung des ADS1261 genutzt (REFP – REFN).

Welche Variante bietet die besten Rauscheigenschaften?

Bislang habe ich die qualitative Behauptung aufgestellt, eine ratiometrische Referenz brächte es auf bessere Rauscheigenschaften als eine externe Referenz, die wiederum besser Rauscheigenschaften bietet als eine interne Referenz. Blickt man in das Datenblatt des 24-Bit-ADC ADS1259, erkennt man, dass diese Aussage auch quantitativ zutrifft. In Bild 6 ist ein Diagramm aus dem Datenblatt des Bausteins wiedergegeben, aus dem die gemessenen Rauscheigenschaften für alle drei Konfigurationen hervorgehen.

Bild 6: Vergleich des Gesamtrauschens mit interner, externer und ratiometrischer Referenz für den ADS1259.
Bild 6: Vergleich des Gesamtrauschens mit interner, externer und ratiometrischer Referenz für den ADS1259.
(Bild: Texas Instruments )

Das Diagramm in Bild 6 zeigt, dass das Rauschen des ADS1259 bei UIN = 0 V ungefähr 0,5 µVeff beträgt. Bei 100%-iger Ausnutzung des Messbereichs (UIN = ±2,5 V) erhöht die interne Referenz dieses Grundrauschen um 400% auf 2,5 µVeff, während die externe Referenz REF5025 das Gesamtrauschen um 150% auf 1,25 µVeff anhebt.

Im Vergleich damit ergibt sich mit der ratiometrischen Referenz ein nahezu flacher Verlauf: das Gesamtrauschen erhöht sich bei 100%-iger Ausnutzung des Messbereichs nur um 50 %. Mit dieser Konfiguration kann also der Messbereich komplett ausgeschöpft werden, ohne dass sich das Gesamtrauschen erhöht. Unter dem Strich ergeben sich hier die besten System-Rauscheigenschaften.

Lassen sich diese Schlussfolgerungen in gleicher Weise auf alle Delta-Sigma-ADCs anwenden? In dieser Serie habe ich bislang 24-Bit- und 32-Bit-Wandler behandelt, damit wir besser verstehen, wie sich das Rauschen der Spannungsreferenz auf die Leistungsfähigkeit dieser Wandler auswirkt. Diese hochauflösenden A/D-Wandler bieten in der Regel ein sehr geringes Rauschen, weshalb sich jegliches Referenzrauschen spürbar auf das Systemrauschen auswirkt. Wie aber äußerst sich das Referenzrauschen bei A/D-Wandlern mit geringerer Auflösung?

Unterschiede zwischen niedrig- und hochauflösenden A/D-Wandlern

Bild 7: Messanordnung mit dem ADC ADS1262 und der Referenz REF6025.
Bild 7: Messanordnung mit dem ADC ADS1262 und der Referenz REF6025.
(Bild: Texas Instruments )

Die Prinzipien, die wir angewendet haben, um die Auswirkungen des Referenzrauschens auf höher auflösende A/D-Wandler zu messen, lassen sich auch bei geringer auflösenden A/D-Wandler nutzen. Unter Verwendung der Messanordnung aus den vorigen Beispielen, soll der REF6025 nun mit A/D-Wandlern unterschiedlicher Auflösung verbunden werden, um das Gesamtrauschen bei 100%-iger Ausnutzung des Messbereichs zu messen. Bild 7 zeigt diese Anordnung.

Tabelle 1: Eigenrauschen von A/D-Wandlern abhängig von der Auflösung.
Tabelle 1: Eigenrauschen von A/D-Wandlern abhängig von der Auflösung.
(Bild: Texas Instruments )

Für den n-Bit A/D-Wandler in Bild 7 sollen nun acht A/D-Wandler mit unterschiedlichen Auflösungen eingesetzt werden. Aus Tabelle 1 kann das Eigenrauschen der einzelnen ADCs als Funktion ihrer Auflösung entnommen werden.

Wie ich schon im ersten Teil dieser Serie beschrieben habe, dominiert normalerweise das Quantisierungsrauschen das Gesamtrauschen bei einem gering auflösenden A/D-Wandler (<16 Bit), da sein Wert dem LSB entspricht. Im Gegensatz dazu ist das Rauschen von 18-, 24- und 32-Bit-ADCs größer als das entsprechende LSB, was an dem verhältnismäßig stärkeren thermischen Rauschen höher auflösender A/D-Wandler liegt.

Ab einer Auflösung von 18 Bit wird das Referenzrauschen kritisch

Um das kombinierte Rauschen von A/D-Wandler und Spannungsreferenz zu berechnen, zieht man die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Rauschanteile der einzelnen Bausteine, da ich eine Ausnutzung des Messbereichs von 100% zugrunde gelegt habe. Tabelle 2 gibt das Gesamtrauschen beider Bauelemente sowie die prozentuale Zunahme des Rauschens gegenüber dem ADC-Rauschen allein an.

Tabelle 2: Gesamtrauschen und prozentuale Zunahme für verschiedene ADC-Auflösungen.
Tabelle 2: Gesamtrauschen und prozentuale Zunahme für verschiedene ADC-Auflösungen.
(Bild: Texas Instruments )

Tabelle 2 zeigt den krassen Gegensatz bei den Auswirkungen des Referenzrauschens auf geringer und höher auflösende A/D-Wandler. Bis etwa 16 Bit (rote Zellen) wirkt sich das Rauschen der Referenz REF6025 auch bei einer Ausnutzung des Messbereichs von 100% praktisch gar nicht auf das Gesamtrauschen des Systems aus.

In diesen Fällen überwiegt das Quanitisierungsrauschen des A/D-Wandlers das Referenzrauschen. Rauscharme externe Referenzen haben hier folglich nur einen geringen Nutzen, besonders, wenn man die Mehrkosten und den zusätzlichen Platzbedarf berücksichtigt. Viele der weniger hoch auflösenden A/D-Wandlern besitzen aus diesem Grund keine Eingänge für eine externe Referenz, sondern greifen auf eine integrierte Referenz oder sogar auf die Versorgungsspannung zurück.

Dies soll allerdings nicht heißen, dass Sie das Referenzrauschen immer außer Acht lassen dürfen, wenn Sie geringer auflösende A/D-Wandler verwenden. Der kumulative Effekt hängt vom Rauschen der jeweiligen Spannungsreferenz, der Systembandbreite und der Ausnutzung des Messbereichs ab. Ich empfehle einige kurze Rechnungen zu machen, um die Auswirkungen etwaiger externer Bauelemente auf das System zu bestimmen.

Stärkere Auswirkungen hat das Referenzrauschen bei A/D-Wandlern mit Auflösungen von 18, 24 und 32 Bit (in Tabelle 2 blau markiert). Bei diesen A/D-Wandlern wird das Rauschen im Vergleich zum A/D-Wandler allein deutlich angehoben. Dies wirkt sich mit zunehmender ADC-Auflösung immer stärker aus: im Fall des 32-Bit-ADC nimmt das Rauschen infolge des Referenzrauschens um 553 % zu. Bei A/D-Wandlern mit höherer Auflösung ist die Anwendung der in diesem Artikel skizzierten Methoden zur Verringerung des Rauschens und die Wahl einer geeigneten Referenz-Konfiguration entscheidend für exakte Messungen.

Wie sich der Takt auf Präzisions-A/D-Wandler auswirkt, lesen Sie im nächsten Teil dieser Serie.

Das sollten Sie sich merken:

An dieser Stelle fasse ich noch einmal wichtige Aspekte zusammen, die Ihnen dabei helfen, die Auswirkungen zu verstehen, die das Rauschen von Spannungsreferenzen auf Delta-Sigma-ADCs hat:

1. Zur Reduzierung des Referenzrauschens:

  • Verwenden Sie eine rauscharme Referenz.
  • Reduzieren Sie die ENBW.
  • Erhöhen Sie die Referenzspannung (solange damit nicht das Referenzrauschen proportional größer wird).
  • Wählen Sie eine ratiometrische Konfiguration.

2. Optimieren Sie die Rauscheigenschaften Ihres Systems durch die Wahl einer Referenz-Konfiguration, deren Rauschen auf ähnlichem Niveau liegt wie das System-Rauschen.

* Bryan Lizon arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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