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www designelektronik de DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 35 sorgt Dieser besteht aus einem externen Speicherkondensator C1 dessen äquivalenten Serienwiderstand ESR und der Ausgangsimpedanz eines Pufferverstärkers R0 für die Spannungsreferenz Die Eckfrequenz des passiven RC-Tiefpasses bestimmt sich durch f C = 1 2πRC Demnach ist die Bandbreite umgekehrt proportional zum Widerstand Rund zur Kapazität C Der Kondensator C1 wirkt auch als lokaler Energiespeicher um Spannungsspitzen zu glätten Diese können entstehen wenn die Spannungsreferenzschaltung des ADCs plötzlich den Laststrom ändert Bild 4 zeigt das dynamische Verhalten des Referenzstroms des Sigma-Delta-ADCs AD7177-2 und des SAR-ADCs Successive Approximation Register AD7980 Der Anwender kann den Wert des Kondensators C1 so wählen dass er die Anforderung an die Grenzfrequenz des Tiefpasses erfüllt Allerdings benötigen manche SAR-ADCs einen Kondensator von mindestens 10 µF am Referenzeingang um korrekt zu funktionieren Dieser Mindestwert reduziert die Phasenreserve des Referenzpuffers und mit abnehmender Phasenreserve ist die Rückkopplung des Puffers nicht mehr negativ 1 Die Signale in der Nähe der Eckfrequenz 3-dB-Punkt mit Einheitsverstärkung werden gleichphasig mit den eingehenden Signalen rückgekoppelt Dies führt dazu dass die Regelung in der Nähe der Eckfrequenz eine Störspitze erzeugt 1 Da die Bandbreite von der Eckfrequenz bis zu 16 MHz reicht dominiert dies Störspitze das gesamte integrierte Rauschen Effektivwert Obwohl der Kondensator C1 der Spannungsreferenz als Rauschfilter fungiert und Spannungsspitzen ausgleicht stellt diese Rauschspitze den größten Störfaktor dar Bild 5 zeigt die Störspitze der Spannungsreferenz LTC6655 die durch C1 eingebracht wird Die Höhe der Störspitze bestimmt sich aus dem Wert des Kondensators und seinem ESR Meist sind die Spannungsreferenzen mit einer komplexen Ausgangsstufe ausgestattet um eine große kapazitive Last treiben zu können wie sie für ADC-Referenzschaltungen oft nötig ist So ist die Ausgangsstufe des LTC6655 beispielsweise so ausgelegt dass sie bei einem auf 10 µF festgelegten Speicherkapazität kritisch bedämpft wird Wenn die Speicherkapazität des Bausteins auf den Mindestwert von 2 7 µF oder den Höchstwert von 100 µF eingestellt wird kommt es zu Störspitzen Zwar dämpft der äquivalente Serienwiderstand ESR von C1 die primäre Störspitze führt aber eine sekundäre Störspitze bei 100 kHz und darüber ein Dies lässt sich dadurch erklären dass der ESR des Kondensators eine Nullstelle einfügt wodurch sich die Phasenreserve vergrößert und die primäre Störspitze reduziert wird Allerdings verbindet sich diese Nullstelle mit der inhärenten Nullstelle des LTC6655 und erzeugt eine sekundäre Störspitze Wichtig Das Rauschverhalten in Bild 5 ist einzig und allein für den LTC6655 gültig Eine der anderen Lösungen um das Rauschen der Spannungsreferenz zu filtern die Störspitze zu beseitigen und den ADC korrekt anzusteuern besteht darin zwischen den passiven RC-Tiefpass noch einen zusätzlichen Pufferverstärker zu schalten Bild 6 Dadurch lassen sich die Designbeschränkungen des Tiefpasses und des Eingangskondensators der ADC-Referenzspannung voneinander entkoppeln Stellt man die Eckfrequenz der passiven RC-Tiefpasses deutlich unterhalb der Crossover-Frequenz mit Einheitsverstärkung ein reduzieren sich nicht nur das breitbandige und das niederfrequente Rauschen sondern es werden auch Störspitzen vermieden Bild 7 zeigt beispielhaft das Rauschverhalten des LTC6655 mit C1 = 100 µF ESR = 0 Ω gefolgt von einem passiven Tiefpass mit R = 10 kΩ und C2 = 10 µF ESR = 0 Ω wodurch eine Polstelle bei 1 59 Hz entsteht Durch Erhöhen des Widerstands Rdes Tiefpassfilters lässt sich zwar die Eckfrequenz senken aber auch die Genauigkeit der Präzisions-Spannungsreferenz kann sich verschlechtern Fügt der Anwender einen passiven RC-Tiefpass hinzu muss er Bild 2 Systemrauschen Effektivwert in Abhängigkeit zur Eingangsspannung des ADCs VREF ist auf den LTC6655-5 gelegt Bild 3 Tiefpassfilter zwischen Spannungsreferenz und ADC