Kevin Tretter, leitender Produktmarketing-Ingenieur, Microchip Technology Inc.
Wie ihr Name schon sagt, die Analog-Digital-Wandler (ADC) sind spezielle Verstärker, die speziell für die Arbeit mit ADCs entwickelt wurden, einschließlich Architekturen, die auf sukzessiver Approximation, Pipelines und Delta-Sigma basieren. Diese speziellen Verstärker sind kritische Schaltungskomponenten, die es dem ADC ermöglichen, optimal zu arbeiten, wie in den folgenden Abschnitten besprochen wird.
Was ist ein Analog-Digital-Konverter-Treiber und warum brauche ich einen?
Wie ihr Name schon sagt, die Analog-Digital-Wandler (ADC) sind spezielle Verstärker, die speziell für die Arbeit mit ADCs entwickelt wurden, einschließlich Architekturen, die auf sukzessiver Approximation, Pipelines und Delta-Sigma basieren. Diese speziellen Verstärker sind kritische Schaltungskomponenten, die es dem ADC ermöglichen, optimal zu arbeiten, wie in den folgenden Abschnitten besprochen wird. Der Bedarf an analoger Signalkonditionierung, einschließlich ADCs, wächst weiter, da Sensoren in verschiedenen Endmärkten immer häufiger vorkommen. Zu diesen Endmärkten gehören:
- Kommunikation
- Medizin
- Verbrauch
- Industrie
- Automobil
Bei ADCs geht der Markttrend zu Geräten mit höherer Auflösung und Geschwindigkeit, da die Kosten für diese Lösungen erschwinglicher werden.
ADC-Eingänge verstehen
Bevor wir auf die technischen Funktionen eingehen, die ein ADC-Controller benötigt, ist es notwendig, kurz auf die Eingangsarchitektur aktueller ADCs einzugehen. Ein Differenzsignal kann als zwei Knoten definiert werden, die gleiche, aber entgegengesetzte Signale um einen festen Punkt (den Gleichtaktpegel) haben. Die beiden Signalknoten werden oft als positiv und negativ (nicht invertierend und invertierend) bezeichnet, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Im obigen Beispiel beträgt die volle Eingangsspannung differenziell 5 V Spitze-zu-Spitze, wobei jedes Bein 2,5 V Spitze-zu-Spitze schwingt. Der Gleichtaktpegel beträgt in diesem Beispiel 2,5 V. Die meisten aktuellen Hochleistungs-ADCs implementieren eine differenzielle Eingangsarchitektur, da sie eine überlegene Leistung (im Vergleich zu Single-Ended-Eingängen) bietet. Zu diesen Leistungsvorteilen gehören die Fähigkeit, Gleichtaktrauschen und gemeinsame Störsignale zu unterdrücken, sowie eine Erhöhung des Dynamikbereichs um 6 dB (oder Faktor 2).
ADCs können eine besonders schwierige Herausforderung für Systemdesigner darstellen, da sie eine Vielzahl unterschiedlicher Input-Sampling-Architekturen bieten, die auf Systemebene berücksichtigt werden müssen. Für die Zwecke dieser Diskussion konzentrieren wir uns auf ADCs, die eine geschaltete Kondensatorstruktur verwenden, um eine Eingangsabtastung durchzuführen. In ihrer einfachsten Form besteht diese Eingangsstruktur aus einem relativ kleinen Kondensator und einem analogen Schalter, wie in Abbildung 2 unten gezeigt.
Wenn der Schalter auf Position 1 gestellt ist, lädt sich der Abtastkondensator auf die Abtastknotenspannung auf, in diesem Fall VS. Der Schalter wird dann auf Position 2 bewegt, wo die akkumulierte Ladung auf dem Probenkondensator auf den Rest der Probenschaltung übertragen wird. Der Prozess beginnt von vorne.
Ein ungeregelter Switched-Capacitor-Eingang, wie der oben beschriebene, kann große Probleme auf Systemebene verursachen. Der zum Laden des Abtastkondensators auf die richtige Spannung erforderliche Strom muss von der externen Schaltung geliefert werden, die mit dem Eingang des ADC verbunden ist. Wenn der Kondensator auf den Abtastknoten geschaltet wird (Schalterposition 1 in Abbildung 2), ist eine große Strommenge erforderlich, um mit dem Laden des Kondensators zu beginnen. Die Größe dieses Momentanstroms ist eine Funktion der Größe des Abtastkondensators, der Frequenz, mit der der Kondensator geschaltet wird, und der am Abtastknoten anliegenden Spannung. Dieser Schaltstrom lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben:
Im obigen Beispiel ist C die Kapazität des Abtastkondensators, V ist die am Abtastknoten vorhandene Spannung (in diesem Beispiel als VS bezeichnet) und f ist die Frequenz, bei der der Abtastschalter ein- und ausgeschaltet wird. Dieser Schaltstrom führt zu hohen Stromspitzen am Abtastknoten, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Die Auswirkungen dieses Schaltstroms müssen beim Entwurf der analogen Schaltung vor dem A/D-Wandler berücksichtigt werden. Wenn dieser Strom durch einen beliebigen Widerstand fließt, tritt ein Spannungsabfall auf, der zu einem Spannungsfehler am Abtastknoten des A/D-Wandlers führt. Eine Verzerrung kann auch auftreten, wenn der Eingangsknoten vor dem nächsten Abtastzyklus nicht vollständig sitzt.
Lösung: ADC-Treiber
Die Aufrechterhaltung der Sensorsignalintegrität, die erforderlich ist, um die Vorteile dieser ADCs mit höherer Auflösung und Geschwindigkeit voll auszuschöpfen, wird zu einer großen Herausforderung. Mit zunehmender Auflösung und Geschwindigkeit des ADC werden die Auswirkungen von Rauschen und Verzerrungen auf das Sensorsignal deutlicher. Bei höheren Abtastraten von ADCs muss darauf geachtet werden, dass sich das Eingangssignal vor dem Abtastereignis stabilisiert hat und dass sich Signale mit höherer Bandbreite nicht in der Bandbreite des interessierenden Signals überlappen.
Um diese Herausforderungen bei der Signalkonditionierung zu bewältigen, erfordern viele ADC-Anwendungen einen ADC-Controller, der ausreichendes Einschwingen und Anti-Aliasing bietet. Wie oben beschrieben, implementieren die meisten modernen ADCs eine differenzielle Eingangsarchitektur. Eine der Hauptfunktionen des ADC-Controllers besteht darin, eine Single-Ended-zu-Differential-Wandlung des eingehenden Signals bereitzustellen.
Eine weitere Funktion des ADC-Controllers besteht darin, das Eingangssignal zu puffern und so den Rest der Schaltung von Ladungsinjektion am ADC-Eingangsknoten zu isolieren. Der ADC-Controller sorgt für sofortiges Laden, um sicherzustellen, dass sich der Abtastknoten innerhalb der Spurzeit einschwingt, wodurch jegliche einschwingbedingte Verzerrung minimiert wird.
Die meisten ADC-Treiberverstärker bieten auch einen Hardware-Pin, der es dem Benutzer ermöglicht, die Gleichtaktspannung zu nivellieren. Diese Funktion ist ideal, um sicherzustellen, dass das resultierende Differenzsignal innerhalb des Eingangsspannungsbereichs des ADC zentriert ist, wodurch der Dynamikbereich maximiert wird.
Schließlich können ADC-Treiber, wie die meisten Verstärkerkomponenten, sowohl eine Eingangssignalverstärkung als auch eine aktive Filterung bereitstellen. Beachten Sie, dass die meisten ADC-Treiber mit einer relativ niedrigen Verstärkung spezifiziert sind, typischerweise Verstärkungen von nur 1 oder 2 V/V. Indem die Regelkreisverstärkung des Verstärkers niedrig gehalten wird, wird die Kreisverstärkung maximiert, was zu der geringsten Verzerrung führt. Wenn beispielsweise ein Verstärker eine Open-Loop-Verstärkung von 100 dB hat und auf eine Closed-Loop-Verstärkung von 200 oder 46 dB eingestellt ist, bleiben nur 54 dB Headroom für die Open-Loop-Verstärkung, um die Linearität sicherzustellen, oder etwa ein Teil in 500. Daher ist es üblich, eine separate Verstärkungsstufe zu haben, die sich in der Nähe der Signalquelle befindet.
Um das Beste aus Ihrem Datenwandler herauszuholen, muss der ADC-Controller die Leistung optimieren und gleichzeitig dem Quellsignal vernachlässigbare Verzerrungen, Rauschen und Einschwingzeitfehler hinzufügen. Differentialregler MCP6D11 wurde speziell entwickelt, um die Leistung von Hochgeschwindigkeits-ADCs wie dem zu maximieren MCP33131, das ein 16-Bit-ADC-SAR mit 1 MSPS ist. Ein Beispiel dafür, wie diese beiden Geräte zusammenarbeiten, um die Leistung zu maximieren, finden Sie unter Evaluierungsboard MCP331x1 (ADM00873).
