Die Treiberschaltung für den analogen Eingang des ADC, nicht der ADC selbst, ist zu einem begrenzenden Faktor bei der Bestimmung der Gesamtschaltungsgenauigkeit geworden. Erstens muss die Treiberschaltung das Eingangssignal puffern und eine Verstärkung bereitstellen. Darüber hinaus muss er Pegel ändern oder ein massebezogenes Signal in ein vollständig differenzielles Signal umwandeln, um den Eingangsspannungsbereich sowie die Gleichtaktanforderungen des ADC zu erfüllen. All dies muss erfolgen, ohne dem Originalsignal Verzerrungen hinzuzufügen. Dieser Artikel stellt eine einfache ADC-Verstärkerschaltung vor, die ein massebezogenes ±10-V-Eingangssignal in ein vollständiges Differenzsignal umwandelt, das den 2377-Bit-SAR-ADC LTC20-20 mit einem kombinierten Linearitätsfehler von nur 2 ppm ansteuern kann. Hier werden auch verschiedene Optionen zur Bereitstellung einer höheren Eingangsimpedanz und eines niedrigeren Gesamtversorgungsstroms erörtert.
Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung in Abbildung 1 wandelt ein massebezogenes ±10-V-Signal in das volldifferenzielle ±5-V-Signal um, das der LTC2377-20 (U1) benötigt. Der LTC2377-20 ist ein 20-Bit-SAR-ADC mit 500 ksps und geringem Stromverbrauch und einer typischen integralen Nichtlinearität (INL) von ±0,5 ppm. Die Spannung an AIN wird von U4 gepuffert, das wiederum die Widerstandskette U5 steuert und somit als Präzisionsteiler fungiert. U3 arbeitet mit minus halber Verstärkung und steuert die Mitte der Widerstandskette von U5, um die ADC-Gleichtaktspannung auf VREF/2 zu halten. U3 und U4 sind LT1468A, Low-Shunt, hochlineare Operationsverstärker. Der U5 ist ein Quad-Netzwerk aus angepassten LT5400A-Widerständen mit einer maximalen garantierten Fehlanpassung von 0,01 %. Die Werte der angepassten Widerstände in U5 sind wichtig, da jede Fehlanpassung sowohl zum Offset- als auch zum Vollausschlagsfehler in dieser Schaltung beiträgt. Aus diesem Grund und aufgrund seines extrem niedrigen Spannungskoeffizienten sollten anstelle des LT5400A keine diskreten Widerstände verwendet werden. Der R4 bietet eine Viertelskala, die an den Ausgang des U3 angepasst ist. R1 und R2 bilden einen Teiler, der den nichtinvertierenden Eingang von U3 auf VREF/2 setzt. R5 und R6 setzen die Verstärkung des invertierenden Verstärkers U3 auf –0,5. C10 und C12 bilden zusammen mit den Widerständen von U5 1,4-MHz-Filter an den ADC-Eingängen. Außerdem trägt der Widerstand zwischen den Pins 1 und 8 von U5 dazu bei, den Ausgang von U4 von der Lastspitze zu isolieren, die auftritt, wenn der ADC vom Ruhemodus in den Abtastmodus umschaltet. Als Referenz für diese Schaltung wurde der LTC6655A-5 (U2) gewählt, da er nach Transienten, die während der Wandlung am REF-Pin auftreten, schnell einschwingen kann, und wegen seines geringen Rauschens.
Schaltungsleistung
Die typische Wechselstromleistung für diese Schaltung umfasst THD von -123,5 dB und SNR von 102,7 dBFS bei einer Abtastrate von 500 ksps und einem Eingangssignal von 100 Hz. Dieses Verhalten ist in der FFT von Abbildung 2 zu sehen. Die THD- und SNR-Leistung liegt nahe an den Werten, die typischerweise im LTC2377-20-Datenblatt zu finden sind, und weist auf eine minimale Leistungsminderung bei Verwendung dieser Schaltung hin. Das typische Linearitätsverhalten für die Combo-Schaltung über den gesamten ±10-V-Eingangssignalbereich, wie in Abbildung 3 gezeigt, ist +2 ppm, -1,3 ppm bei einer Abtastrate von 500 ksps. Die Linearität wird durch den INL des ADC und den CMRR des Operationsverstärkers U4 begrenzt. Der kombinierte Abgriff des ADC-Eingangs, einschließlich der Beiträge von U4, U5 und U1, wird bei +50 μV gemessen. Die Anzapfung von U3 hat keine Auswirkung auf die Anzapfung dieses Treibers. Die Worst-Case-ADC-Eingangsabweichungsanalyse wird berechnet, indem die maximale Abweichung von U1, U4 und U5 addiert wird: VOS(MAX) = 13 ppm • 10 μV/ppm + 75 μV/2 + (5/2 – 5/(2.0001) ) • 1E6 μV VOS (MAX) = 292 μV = 29.2 ppm Der LT1468A hat einen maximalen Eingangs-Offsetstrom von ±40 nA. Für Anwendungen, die eine höhere Eingangsimpedanz erfordern, kann der U4 durch den LT1122A ersetzt werden. Der LT1122A ist ein JFET-Eingangs-Operationsverstärker mit schneller Einschwingzeit und einem maximalen Eingangs-Offsetstrom von 75 pA. Bei Verwendung des LT1122A in dieser Schaltung beträgt der INL +6 ppm, -1,1 ppm, wie in den Leistungsvergleichen der Operationsverstärker in Tabelle 1 gezeigt. Der LTCC2377-20 ADC hat einen typischen Versorgungsstrom von 4,2 mA bei voller Abtastrate von 500ksps. Der LTC2377-20 trennt sich nach einer Wandlung automatisch und verbindet sich erst wieder zu Beginn der nächsten Wandlung. Diese Auto-Off-Funktion reduziert die ADC-Verlustleistung und reduziert gleichzeitig die Abtastrate auf 1 μA für Anwendungen mit sehr niedrigen Abtastraten. Für Anwendungen mit niedriger Abtastrate, bei denen der Versorgungsstrom wichtig ist, kann der maximale Versorgungsstrom des LT5,2A von 1468 mA zu hoch sein. Der Operationsverstärker LT1012A und sein Picoampere-Eingangsstrom, Mikrovolt-Offset und geringes Rauschen mit einem maximalen Versorgungsstrom von 500 μA bei ±15 V können den LT1468A für solche Anwendungen ersetzen. Mit Abtastraten von bis zu 125 ksps erreicht der LT1012A eine Linearität von +0,9 ppm, -0,5 ppm, wie in den Leistungsvergleichen der Operationsverstärker in Tabelle 1 gezeigt. Bei Abtastraten über 125 ksps beginnt die INL-Leistung abzunehmen, da der Operationsverstärker dies nicht kann schnell genug eingerichtet werden, um den ADC präzise zu steuern.
Fazit
Die hier gezeigte ADC-Treiberschaltung wandelt ein massebezogenes ±10-V-Signal in ein volldifferentielles ±5-V-Signal für den 2377-ksps-ADC-SAR LTC20-500 um. Die kombinierte Schaltungsleistung erreicht eine Abweichung von 50 μV, INL von 2 ppm, ein SNR von 102,7 dBFS und einen THD von -1223,5 dB. Der Controller besteht hauptsächlich aus zwei LT1468A-Operationsverstärkern und einem Satz LT5400A-Anpassungswiderständen. Alternative Versionen dieser Schaltung verwenden den LT1122A-Op, um einen maximalen Eingangsstrom von 75 pA bereitzustellen, oder den LT1012A-Op mit reduzierten Abtastraten, um den Versorgungsstrom zu verringern. Das DC2135, ein Demoboard, das eine Version dieser Schaltung ist, ist von Linear Technology erhältlich.
