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34 DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 www designelektronik de Powermanagement Analogtechnik für das Systemrauschen daher höchstens 0 2437 µV betragen Die Spannungsreferenz legt die Schwelle für das analoge Eingangssignal fest die der ADC auflösen kann Nachfolgende Gleichung stellt die ideale Übertragungsfunktion eines solchen Bausteins dar Der Ausgangscode in dezimaler Form errechnet sich aus dem analogen Eingangssignal VIN der Spannungsreferenz VREF und der Anzahl der ADC-Bits N ADC-Code = VIN 2N VREF Die im Datenblatt des ADCs angegebene Auflösung wird normalerweise mit einer Technik mit kurzgeschlossenem Eingang bestimmt bei der der Eingang des Bausteins mit Masse verbunden ist oder die differenziellen Eingänge an eine gemeinsame Quelle angeschlossen sind Diese Technik hilft dabei die absolute Grenze der Auflösung zu ermitteln indem das Rauschen sowohl des ADC-Eingangs und als auch der Spannungsreferenz ausgeblendet werden Dies ist der Fall da VIN auf 0 Veingestellt ist wodurch das Verhältnis von VIN zu VREF gleich Null ist Um die Auswirkungen des Rauschens der Spannungsreferenz auf das Gesamtrauschen des Systems zu untersuchen zeigt Bild 2 die Beziehung zwischen dem gesamten Systemrauschen Effektivwert und der Gleichspannung am ADC-Eingang Für diesen Test verwendeten wir den 32-Bit-ADC AD7177-2 wobei dessen VREF-Eingang an den LTC6655-5 5 Vund dessen ADC-Eingang an eine rauscharme Gleichspannungsquelle angeschlossen war Die ausgangsseitige Datenrate des ADCs war auf 10 kSPS Kilo-Sample per Second eingestellt Es ist zu beachten dass das Rauschen am ADC über dessen gesamten Eingangsspannungsbereich konstant bleibt 35 nV Hz während das Rauschen der DC-Eingänge des ADC ansteigt ≤6 nV Hz Allerdings bleibt dieser Wert im Vergleich zum Rauschen der Spannungsreferenz 96 nV Hz gering Wie in Bild 2 dargestellt ist das Gesamtrauschen proportional zur Gleichspannung am Eingang des ADCs Der Grund dafür ist dass mit steigendem VIN das Verhältnis VIN VREF zunimmt und somit das VREF-Rauschen das Gesamtrauschen des Systems dominiert wenn der ADC-Eingang auf Vollaussteuerung eingestellt ist Das Rauschen jeder einzelnen Komponente in der Signalkette addiert sich über die Quadratwurzelsumme RSS und ergibt die Kurvenform in Bild 2 Um eine hohe Messauflösung von 25 Bit oder mehr zu erreichen benötigen selbst die besten auf dem Markt erhältlichen separaten Spannungsreferenzen mit einer rauscharmen Spezifikation etwas Hilfe um das Rauschen zu dämpfen Eine externe Schaltung wie beispielsweise ein Filter kann das Rauschen so weit dämpfen dass der gewünschte Dynamikbereich des ADCs erreicht wird Der verbleibende Teil dieses Artikels erläutert verschiedene Arten von Tiefpassfiltern und wie sich diese einsetzen lassen um das Rauschen der Spannungsreferenz zu senken Hierbei kommen Filterentwurfstechniken und Kompromisse zwischen den Filtern zur Sprache Zwei Arten von Tiefpassfiltern die in diesem Zusammenhang besprochen werden sind einfache passive RC-Tiefpassfilter und aktive Tiefpassfilter mit Signalflussgraphen Mit Ergebnissen der Systemevaluierung mit einem SigmaDelta-ADC schließt dieser Beitrag ab ■ Rauschreduzierung mit passivem Tiefpass Bild 3 zeigt eine Spannungsreferenz die einen ADC über einen Tiefpassfilter verENOB Bit SNR dB Rauschen µV RMS 20 122 16 7 798301 21 128 18 3 89942 22 134 20 1 949845 23 140 22 0 97499 24 146 24 0 487528 25 152 26 0 243781 26 158 28 0 121899 27 164 30 0 060954 28 170 32 0 030479 29 176 34 0 015241 30 182 36 0 007621 31 188 38 0 003811 32 194 40 0 001905 Tabelle 1 Erforderlicher Dynamikbereich und maximal zulässiges Systemrauschen um eine bestimmte ENOB zu erreichen VREF = 5 V ADC-Eingang auf vollen Skalenbereich eingestellt Bild 1 Rauschen in Abhängigkeit zur effektiven Anzahl der Bits Effective Number Of Bits ENOB und dem Signal-Rausch-Verhältnis Signal to Noise Ratio SNR