Präzisions-Designs mit differenzieller Verstärker-Ansteuerung

 

Autor: Jason Clark, Texas Instruments

Immer mehr der neuesten, hochauflösenden A/D-Wandler, die von der Industrie angeboten werden, besitzen differenzielle Eingänge zum Maximieren der Performance. Gleichwohl entscheiden sich viele Designer nach wie vor für massebezogene Verstärker – einfach nur aus Gewohnheit. Dabei bieten stromsparende FDAs (Fully-Differential Amplifiers), also vollständig differenzielle Verstärker, zahlreiche Systemvorteile, ohne dabei Abstriche an der Genauigkeit hin nehmen zu müssen. In diesem Beitrag werde ich den rauscharmen, präzisen 150-MHz-FDA THS4551 als Beispiel dafür heranziehen, wie sich viele Vorteile vollständig differenzieller Verstärker umsetzen lassen.

FDAs ermöglichen die einfache Umwandlung massebezogener in differenzielle Signale mit DC-Kopplung. Bild 1 zeigt drei Beispiele dafür, wie ein massebezogenes Signal an den differenziellen Eingang eines ADC geführt werden kann. Der FDA punktet dabei mit weniger Stromverbrauch und Rauschen sowie einem größeren Dynamikbereich.

Bild 1. Pseudo-differenzieller Eingang (oben), zwei Operationsverstärker (mitte) und vollständig differenzieller Verstärker (unten)

 

Die FDA-Architektur kann durch die Reduzierung des HD2-Werts dazu beitragen, den THD-Wert entscheidend zu verringern. Mit der in Bild 1c gezeigten FDA-Methode erzielt man eine Verbesserung des THD-Werts um über 4 dB. Dies wiederum kann die Performance des Gesamtsystems entscheidend verbessern, oder man erhält die Flexibilität, denselben THD-Wert mit einem sparsameren, weniger breitbandigen Verstärker zu erzielen.

Ein einzelner FDA (Bild 1c) hat bei gleicher Leistung ein um 1/√2 geringeres Rauschen als ein Paar massebezogener Operationsverstärker (Bild 1b). Ein Operationsverstärker mit einem eingangsseitigen Spannungsrauschen von 3 nV/√Hz hat in der aus zwei OpAmps bestehenden Schaltung von Bild 1b ein Gesamt-Spannungsrauschen am Eingang von 3∙√2 nV/√Hz.

Auch wenn der FDA an einer unipolaren Versorgungsspannung betrieben wird, kommt er mit bipolaren Eingangssignalen zurecht. Bild 2 zeigt den THS4551 mit einem Eingangssignal von 20 Vpp (0 V Gleichtaktanteil) und einem Ausgangssignal von 8 Vpp mit einem Gleichtaktanteil von 2,5 V. Dank dieser Fähigkeit können Sie die Systemkomplexität reduzieren, indem Sie auf die negative Versorgungsspannung ebenso verzichten wie auf unnötige Signalabschwächungs-Stufen.

Bild 2. Beispiel für die Abschwächung mit einem FDA

FDAs enthalten eine Gleichtakt-Ausgangsschleife zur perfekten Anpassung an den erwarteten Gleichtaktanteil am ADC-Eingang. Über den Vocm-Pin wird der Gleichtaktanteil am Ausgangs des Verstärkers eingestellt. Dieser Pin kann unbeschaltet bleiben, wenn der gewünschte Gleichtaktanteil genau der Mitte zwischen den beiden Versorgungspotenzialen entspricht.

Wie Bild 3 zeigt, werden die FDAs von TI in einer Reihe kleiner Gehäuse angeboten – darunter ein 2 x 2 mm großes QFN-Gehäuse. Damit eignen sich die Bausteine für den Einsatz in Anwendungen mit extrem beschränktem Platz.

Bild 3. 2 x 2 mm großes QFN-Gehäuse mit 10 Pins (links), 3 x 3 mm großes QFN-16-Gehäuse (mitte) und 5 x 3 mm großes VSSOP-8-Gehäuse (rechts)

Der neue THS4551 von TI gehört mit einem Eingangs-Offset von ±0,175 mV und einer Offsetdrift von <2 V/°C zu den präzisesten FDAs der Industrie. Er ermöglicht damit eine Verbesserung der System-Performance und minimiert den Bedarf an kosten- und zeitaufwändigen Systemkalibrierungen.

Was FDAs leisten können, lässt sich an dem Evaluation Modul (EVM) für den ADS127L01, den neuen Delta-Sigma-ADC mit 24 Bit/512 KSPS von TI demonstrieren. In dem ADC-Treiber dieses EVM ist der THS4551 als Multifeedback-Filter (MFB) konfiguriert. Wie in Bild 4 zu sehen ist, erreicht die Kombination aus ADC und Treiber einen Signal-Rauschabstand (SNR) von 110,6 dB und einen THD-Wert von 119,1 dB bei einem Eingangssignal von 1 kHz. Wie das Datenblatt zum ADS127L01 zeigt und wie es für alle ADC-Treiber angestrebt wird, hat die Performance des THS4551 keinerlei Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Datenwandlers. Erreicht wurde dieses Performance-Niveau mit weniger als 7 mW zusätzlicher System-Verlustleistung. Dies macht den THS4551 zu einem wichtigen Bestandteil von Designs, die einerseits möglichst sparsam sein, andererseits aber ein Optimum an harmonischen Verzerrungen und Präzision bieten sollen.

Bild 4. Spektrum der Kombination aus ADS127L01 und THS4551

Wenn Ihr ADC einen differenziellen Eingang besitzt, kann ein Präzisions-FDA wie der THS4551 eine gute Wahl sein, um Ihr Systemdesign zu vereinfachen und die Voraussetzungen für geringes Rauschen, wenig Stromverbrauch und gute THD-Werte zu schaffen.

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