Wie wirkt sich Verstärkerrauschen auf Delta-Sigma-ADCs aus? (Teil 6)

Analogsignale aufgedröselt Wie wirkt sich Verstärkerrauschen auf Delta-Sigma-ADCs aus? (Teil 6)

19.02.2020 Von Bryan Lizon *

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Im sechsten Teil unserer Serie zu Analogsignalen analysieren weiter an einem Praxis-Beispiel, wie sich Verstärker auf das Rauschen eines A/D-Wandlers mit hoher Auflösung auswirken. Dazu vergleichen wir das eingangsbezogene Rauschen von drei Verstärkern am Eingang des ADS1262.

Analogsignale im Detail: Wo liegen die Grenzen der Rauschverstärktung bei externen Verstärkern?
(Bild: beholdereye – stock.adobe.com)

In diesem Teil wollen wir die Analyse aus Teil 5 abschließen, indem wir externe Verstärker mit dem Eingang des ADS1262 verbinden und die Ergebnisse vergleichen. Wir sehen uns also das Zusammenspiel von externen Verstärkern und präzisen Delta-Sigma-ADCs nochmals genauer an.

Die Rauscheigenschaften (Spannungsrauschen bei ENBD = 14 Hz) der drei bisher analysierten Verstärker betragen: OPA141 = 45 nV_eff, OPA211 = 18 nV_eff und OPA378 = 76 nV_eff.

Um diese Verstärker mit den Eigenschaften des A/D-Wandlers allein zu vergleichen, kann man das eingangsbezogene Rauschen des ADS1262 als Funktion der Verstärkung mithilfe der Werte aus dem Datenblatt des Bausteins auftragen.

Mit den Werten zum Spannungsrauschen ist es anschließend möglich, die einzelnen Verstärker mit dem Eingang des ADS1262 zu verbinden, um mit Gleichung 1 das gesamte eingangsbezogene Rauschen über alle binären Verstärkungswerte bis 512 V/V in das Diagramm einzutragen (Bild 1). Die Verstärkung des ADS1262 wird bei der Verwendung eines externen Verstärkers stets auf 1 V/V eingestellt.

U_N,RTI = [(U_{N, AMP})² + (U_{N, ADS1262} / G_{AMP, EXT})²)]^–1/2 nU_eff
(Gleichung 1)

Aus Bild 1 lassen mehrere interessante Schlüsse ziehen. Hauptsächlich ist erkennbar, dass die Verstärker OPA378 und OPA141 das gesamte eingangsbezogene Rauschen selbst bei den höchsten Verstärkungswerten gegenüber dem Solo-Einsatz des ADS1262 erhöhen, während sich das Gesamtrauschen mit dem OPA211 reduziert.

Bild 1: Eingangsbezogenes Rauschen als Funktion der Verstärkung für den ADS1262 allein sowie in Kombination mit drei externen Verstärker.
(Bild: Texas Instruments)

Ferner ist zu beobachten, dass sich alle in Bild 1 gezeigten Kurven ab einer bestimmten Verstärkung abflachen (im Fall des OPA378 ab 16 V/V und im Fall des OPA211 ab 64 V/V). Dieser Übergangspunkt fungiert als eine sinnvolle Verstärkungsgrenze bzw. als jener Punkt, von dem an ein weiteres Anheben der Verstärkung einen vernachlässigbaren Einfluss auf das eingangsbezogene Rauschen hat (und damit hinsichtlich der Auflösung keinen Nutzen bringt).

Wie ich schon im fünften Teil ausgeführt habe, sorgt eine höhere Verstärkung dafür, dass die erste Verstärkungsstufe das gesamte eingangsbezogene Rauschen dominiert (Gleichung 1). An diesem Punkt wird die Beziehung zwischen Rauschen und Verstärkung weitgehend konstant. Selbst beim ADS1262 allein ist dieses Phänomen bei 32 V/V festzustellen, denn ab hier wird der eingebaute PGA des Bausteins zur dominierenden Rauschquelle.

In vielen Einsatzsituationen werden die Rauscheigenschaften tatsächlich leiden, wenn an den Eingang eines hochauflösenden Delta-Sigma-ADC ein externer Verstärker angeschlossen wird – so wie beispielsweise im Fall des OPA141 und des OPA378. Dies liegt daran, dass die ADC-Hersteller ihre Delta-Sigma-ADCs samt der etwaigen integrierten PGAs für einen relativ schmalen Bereich von Eingangssignalen in Bezug auf Präzision und Genauigkeit optimieren.

Allerdings müssen selbst Präzisionsverstärker, wie sie in diesem Artikel beschrieben wurden, einen deutlich größeren Bereich von Eingangssignalen unterstützen, sodass es eine anspruchsvollere Aufgabe ist, das gleiche Maß an Leistungsfähigkeit zu erzielen.

Externe Verstärker: Wo liegen die Grenzen beim Einsatz?

Wenn externe Verstärker die Rauscheigenschaften verbessern, stößt diese Verbesserung an eine Grenze (wie in Bild 1 zu sehen). Abgesehen davon kann das Hinzufügen eines externen Verstärkers weitere Performance-Werte des Systems (zum Beispiel Offset, Verstärkungsfehler und Drift) beeinträchtigen – ganz abgesehen von der Erhöhung der Kosten, der Leiterplattenfläche und des Stromverbrauchs.

Im Endeffekt kommt es beim Einsatz hochauflösender Delta-Sigma-ADCs darauf an, den Zweck von Verstärkern in der Signalkette sorgfältig zu untersuchen. In einigen Fällen mögen sie notwendig sein, um beispielsweise hohe Eingangsspannungen abzuschwächen. Für ein erfolgreiches Design ist es also entscheidend, dass man über ihre Auswirkungen auf das Systemrauschen genau Bescheid weiß.

In Teil 7 der Reihe „Analogsignale aufgedröselt” werde ich mich damit auseinandersetzen, wie sich das Rauschen der Referenzspannungsquelle auf die Signalkette auswirkt.

Das sollten Sie sich merken:

Hier fasse ich noch einmal einige wichtige Aspekte aus den letzten beiden Teilen zusammen, die zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Verstärkerrauschen auf Delta-Sigma-ADCs führen:

Sie müssen wissen, wie man das Gesamtrauschen eines Verstärkers bestimmt.

Bedenken Sie die Auswirkungen des Stromrauschens, wenn der Ausgang der Signalquelle eine hohe Impedanz aufweist.

Integrierte PGAs bieten mehrere Vorteile, wie zum Beispiel: Geringerer Berechnungsaufwand beim Design eines Datenerfassungssystems und Optimierung für Auflösung und Genauigkeit.

Mehr Verstärkung bedeutet nicht immer mehr Auflösung. Entscheidend ist, ob und welche(r) Verstärker verwendet werden/wird, welcher ADC zum Einsatz kommt und welche ENBW das System aufweist.