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Aktive Bauelemente
Bilder: Linear Technology
Bild 1: Versorgt man den LT6350 mit +7 V und -2 V gibt es genügend
Spielraum an jedem ADC-Eingang von 0 V bis 5 V.
Bild 2: Der differenzielle Operationsverstärker LTC6362 erzielt eine Linearität
von über 110 dB selbst dann, wenn jeder Ausgang bis auf 250 mV bis zur
nächsten Rail schwingt. Das liefert -1 dB Vollausschlag an Swing in den ADC
LTC2397-18 wenn er im Grundzustand arbeitet. Konfiguriert man den ADC im
DGC-Mode, müssen die Ausgänge des LTC6362 nur differentiell um 8 V ss
schwingen, damit alle Codes am ADC geltend gemacht werden.
Bild 4: Durch invertierende Konfiguration des ersten Operationsverstärker
des LT6350 ändert sich die Eingangsspannung des ICs nicht, selbst wenn ein
±10-V-Signal anliegt. Das DGC des LTC2379-18 interpretiert einen 0,5-V- auf
4,5-V-Swing am Operationsverstärker-Ausgang als Vollausschlag.
Bild 3: Der LTC6360 hat eine interne on-chip-Ladungspumpe, die eine kleine
negative Biasspannung on-chip erzeugt, die die Ausgangsstufe versorgt. Auf
diese Weise kann der Ausgang komplett auf 0 V schwingen ohne nahe an
Verzerrungen zu kommen. Dadurch kann man eine komplementäre
Einfachversorgung bauen, die bis zum Vollausschlag in den pseudo-differenziellen
LTC2379-18 ADC schwingt (einschließlich Null).
exakt dieses (Bild 1). Die +7-V-Versorgung ist auch geeignet, eine
5-V-Referenz zu versorgen.
5-V-Speisespannung
Was aber wenn man den Verstärker aus einer 5-V-Versorgung
speisen muss Man möchte annehmen, dass man bei einem Railto-rail
Operationsverstärker mit einfachen 0 V bis 5 V auskommt,
dem ist aber nicht so. Rail-to-rail-Ausgänge sind nicht echt Railto-rail.
Im günstigsten Fall reichen sie bis 10 mV an die Rail-Spannung
heran, verbunden mit hartem Clipping und manchmal langer
Sättigungserholungszeit. Wird hohe Linearität (geringe Verzerrung)
gefordert, muss die Ausgangsspannung mindestens einige
100 mV Abstand von der Rail-Spannung haben. Der LTC6362
zum Beispiel ist ein differenzieller low power Operationsverstärker,
der an einfachen 5 V arbeitet (Bild 2). Seine Ausgänge können
bis 100 mV von jeder Rail schwingen, dabei erreichen sie eine Linearität
von über 110 dB innerhalb 250 mV von jeder Rail. Wenn
das Design so ausgelegt ist, dass das größte Signal diese Konditionen
nicht überschreitet, sind mindestens 90 % der ADC-Codes
anwendbar, was bedeutet, dass man bis auf 1 dB im vorgegebenen
Dynamikbereich bleibt. In vielen Fällen ist das die beste Lösung. Es
ist außerdem gut zu wissen, dass der Verstärker die Eingänge des
ADCs nicht übersteuern oder schlimmstenfalls zerstören kann.
Das stellt sozusagen einen natürlichen Schutz dar.
Mit Digital Gain Compression
Die LTC2379-Familie bietet ein innovatives Merkmal, genannt Digital
Gain Compression (DGC). Mit diesem Merkmal interpretiert
der ADC einen Swing von 10 % auf 90 % der Referenzspannung als
Vollausschlag. Auf diese Weise schwingt der Verstärkerausgang bei
einer 5-V-Referenz nur von 0,5 V bis 4,5 V, und alle 262.144 Codes
des 18-Bit-ADCs werden verwendet. Man kann auch die Verstärkung
des Frontend so einrichten, um Vollausschlag mit 18-Bit-
Auflösung zu bekommen, wenn der Verstärker mit einfachen 5 V
auskommt. Obwohl man alle Codes bekommt, ist der Dynamikbereich
etwas reduziert, da der analoge Spannungsswing von 10 V SS
auf 8 V SS
verkleinert ist, wobei das thermische Rauschen gleich
bleibt. Bei 18-Bit-ADCs ist das Quantisierungsrauschen generell
gering und nur das thermische Rauschen spielt eine Rolle. Als Ergebnis
daraus resultiert ein Verlust von 2 dB beim SNR im DGC-
Mode. Bei einem 16-Bit-ADC verliert man nur 1 dB beim SNR im
DGC-Mode, weil man davon profitiert, dass das Quantisierungsrauschen
entsprechend zurückgeht.
Ohne Digital Gain Compression
Die auf Masse bezogene (oder pseudo-differenzielle) LTC2369-
Familie unterstützt den Digital Gain Compression nicht. Das Weglassen
erfolgte hier absichtlich, da bei auf Masse bezogenen unipolaren
Signalen die Performance nahe Null (Nullpunktfehler) oft
sehr wichtig ist. Der Nullpunktfehler ist gering, wenn das Signal
klein ist. Dabei muss man die feine Auflösung und das geringe
Rauschen des high performance ADCs in die Bewertung mit einbeziehen.
Bei einem differenziellen ADC wird der Nullpunkt erreicht,
wenn beide Eingänge gleichwertig sind. Beim unipolaren
auf Masse bezogenen ADC wird dagegen der Nullpunkt erreicht,
wenn das Eingangssignal Massepotenzial hat. Der Verstärker muss
also bis auf Massepotenzial herunter schwingen. Ist keine negative
Versorgung vorhanden, kommt der LTC6360 zur Hilfe. Dieser
rauscharme, DC-präzise und schnelle Operationsverstärker hat eine
internen on-chip Ladungspumpe, die eine kleine negative Bias-
28 elektronik industrie 05 / 2012
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