Sorgfältige Komponentenauswahl, Topologie und Layout für Signalkettengenauigkeit von 7,5 Stellen

Während viele Anforderungen an die Auflösung der Anzeige mit vier oder sogar fünf Stellen erfüllt werden können, erfordern Anwendungen wie Digitalmultimeter (DMMs) für den Laborbetrieb, die Kalibrierung von Feldmessgeräten, Waagen und seismische Instrumente eine höhere Genauigkeit mit einer aussagekräftigen Anzeige von 7,5 (7½) Stellen. Diese Leistung ist erforderlich, um kleine, niederfrequente Signaländerungen bei unvermeidlichen großen Gleichstromsignalen und Offsets genau zu messen.

Das Erreichen dieses Genauigkeitsniveaus erfordert ein vielschichtiges Vorgehen, bei dem Faktoren im Zusammenhang mit der Auswahl der Komponenten und der physischen Umsetzung sorgfältig berücksichtigt werden müssen. In der Entwicklung müssen dazu die zahlreichen potenziellen Fehlerquellen, die Auswirkungen des kurz- und langfristigen Verhaltens und die Stabilität der Schaltung klar sein.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Designprobleme, die mit der Entwicklung einer sinnvollen und genauen Anzeige eines analogen Signals mit einer Genauigkeit von 7,5 Stellen verbunden sind. Anschließend werden geeignete Komponenten von Analog Devices vorgestellt, mit diese Leistung erreicht werden kann.

Auswahl der Komponenten für hochpräzise Anzeige

Ein hochpräzises System beginnt bei seinen aktiven und passiven Komponenten. Während ein hohes Integrationsmaß Design und Layout vereinfachen kann, um ein sicheres Leistungsniveau zu erreichen, lässt sich in der Entwicklung häufig eine höhere Leistung mit optimierten Einzelfunktions-ICs in einer geeigneten Anordnung und einem geeigneten physikalischen Layout erzielen. Die Prozesse, die Herstellung, die thermischen Probleme und Gradienten sowie das Gehäuse und die damit verbundenen Belastungen dieser Komponenten können optimal auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt werden.

Das Herzstück eines hochgenauen 7,5-stelligen Systems (Abbildung 1) sind ein Vorverstärker, angepasste Widerstände zur Verstärkungseinstellung, ein Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) und eine Spannungsreferenz.

Abbildung 1: Im Zentrum der Signalkette eines 7,5-stelligen Systems stehen ein Vorverstärker, Widerstände zur Verstärkungseinstellung, ein A/D-Wandler und eine Spannungsreferenz. (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert von Bill Schweber)

Das analoge Signal mit niedrigem Pegel wird an einen rauscharmen Vorverstärker weitergeleitet, wo angepasste Präzisionswiderstände die Verstärkung einstellen. Es kann auch ein Filter für elektromagnetische Störungen (electromagnetic interference, EMI) vorhanden sein. Das verstärkte Signal durchläuft dann einen hochauflösenden A/D-Wandler, der zur Erreichung einer hohen Genauigkeit digitalisierte Werte unter Verwendung einer Präzisionsspannungsreferenz liefert. Der umgewandelte Ausgang wird über eines von mehreren Ein-/Ausgangsformaten (E/A) an den Systemprozess übertragen.

Der Vorverstärker: Zwei kritische Parameter sind hier Rauschen und Drift, die sich auf die Konsistenz und Genauigkeit auswirken. Ein geeigneter Kandidat für einen Vorverstärker ist der ADA4523-1BCPZ-RL7 (Abbildung 2, links), ein rauscharmer, driftfreier 8-poliger 36-V-Operationsverstärker (OV). Dieser Operationsverstärker bietet eine präzise DC-Leistung über einen breiten Versorgungsbereich von 4,5 V bis 36 V. Offsetspannung und 1/f-Rauschen werden unterdrückt, wodurch eine maximale Offsetspannung von ±4 μV und eine typische Eingangsrauschspannung von 88 nV Spitze-Spitze (p-p) bei Frequenzen von 0,1 Hz bis 10 Hz erreicht wird. Der Baustein ist in einem 8-poligen oberflächenmontierten Gehäuse untergebracht. Abbildung 2 (rechts) zeigt die Rauschdichte der Eingangsspannung von nahezu DC bis 10 MHz.

Abbildung 2: Der ADA4523-1BCPZ-RL7 (links) ist in einem 8-poligen oberflächenmontierten Gehäuse untergebracht; rechts ist seine eingangsbezogene Spannungsrauschdichte von nahe DC bis 10 MHz dargestellt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die selbstkalibrierende Schaltung des Chopper-stabilisierten ADA4523-1BCPZ-RL7 sorgt für eine geringe Offsetspannungsdrift über den Temperaturbereich (maximal 0,01 μV/°C) und Driftfreiheit über Zeit. Darüber hinaus verwendet der ADA4523-1BCPZ-RL7 eine chipintegrierte Filterfunktion, um eine hohe Immunität gegenüber EMI zu erreichen.

Widerstände zur Einstellung der Verstärkung: Eine programmierbare Verstärkung wird häufig benötigt, um die Schaltung an unterschiedliche Eingangssignalamplituden und -formate anzupassen. Für eine präzise Leistung hat vor dem richtigen absoluten Wert Vorrang, dass das Paar der Verstärkungseinstellwiderstände aufeinander abgestimmt ist und sich bei Temperaturänderungen annähernd gleich verhält. Eine eigenständige Komponente, die ein solches Paar enthält, kann im Allgemeinen eine bessere Leistung bieten als Widerstände, die in den Verstärkerchip integriert sind.

Der LT5401AHMSE#PBF (Abbildung 3, links) ist beispielsweise ein hochpräzises, angepasstes Widerstandsnetzwerk, das für den Einsatz mit Volldifferenzverstärkern optimiert ist und über den gesamten Temperaturbereich hervorragende Anpassungseigenschaften aufweist. Er enthält zwei Reihen von angepassten Widerständen, die jeweils drei Abgriffspunkte bieten. Die Verwendung eines Paares von Operationsverstärkern ADA4523-1BCPZ-RL7 und dieser gepaarten Verstärkungseinstellwiderstände ermöglicht die gewünschte Verstärkerkonfiguration (Abbildung 3, rechts). Die daraus resultierenden angepassten Verhältnisse eignen sich gut für die präzise Einstellung der Verstärkung oder Dämpfung eines Differenzverstärkers.

Abbildung 3: Der LT5401AHMSE#PBF (links) enthält drei Paare angepasster Widerstände; er ist der Schlüssel zu einer hochpräzisen programmierbaren Verstärkungsstufe mit zwei Verstärkern ADA4523-1BCPZ-RL7 (rechts). (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert von Bill Schweber)

Zu den wichtigsten Eigenschaften des LT5401AHMSE#PBF in Bezug auf Präzision und Stabilität gehören:

• Anpassung des Widerstandsverhältnisses von 0,003 % (maximal)
• Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von 96,5 dB (minimal)
• Verstärkungsfehler von ±25 ppm (maximal)
• Anpassungstemperaturdrift von ±0,5 ppm/°C (maximal)
• Absolute Widerstandswert-Temperaturdrift von 8 ppm/°C
• Langzeitstabilität von <8 ppm bei 6.500 Stunden

Der A/D-Wandler: Nachdem das Signal verstärkt und aufbereitet wurde, kann es digitalisiert werden. Es gibt zwar viele A/D-Wandler mit unterschiedlichen Architekturen und Eigenschaften, aber der Sigma-Delta-Ansatz ist für Präzisionsanwendungen gut geeignet, da er ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wandlungszeit und Auflösung bietet.

Ein Beispiel für einen geeigneten A/D-Wandler ist der AD7177-2BRUZ-RL7 (Abbildung 4), ein rauscharmer, gemultiplexter 32-Bit-Wandler mit 10 Kilosamples/Sekunde (kS/s), einer Einschwingzeit von 100 Mikrosekunden (µs) und Rail-to-Rail-Eingangspuffern, die das Anschließen an den Vorverstärkerausgang erleichtern. Seine mehreren Eingangskanäle können über den Koppelpunktmultiplexer als zwei volldifferenzielle Kanäle oder vier unsymmetrische Kanäle angeordnet werden.

Abbildung 4: Der mehrkanalige Sigma-Delta-A/D-Wandler AD7177-2BRUZ-RL7 zeichnet sich durch eine hohe Wandlungsauflösung und eine flexible Konfiguration der Eingangskanäle aus. (Bildquelle: Analog Devices)

Beachten Sie, dass es sich zwar um ein hochintegriertes Gerät handelt, diese Integration jedoch nicht zu Lasten der analogen Präzision geht, da ein Großteil dieser auf der digitalen und E/A-Seite liegt. Die mehreren Eingangskanäle sind nützlich, da viele hochpräzise Anwendungen einen Vergleich zwischen nebeneinander liegenden Kanälen erfordern oder einen Kanal für Basislinienmessungen in realen Datenerfassungsszenarien verwenden.

Dieser Wandler bietet außerdem eine 85-dB-Filterunterdrückung von 50-Hz- und 60-Hz-Störungen, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten, und zwar mit einer Einschwingzeit von 50 ms. Außerdem verfügt er über eine chipintegrierte Referenz von 2,5 V (Drift von ±2 ppm/°C) und kann seinen internen Takt für das Wandlungstiming verwenden oder mit einem externen Takt versorgt werden. Während die chipintegrierte Spannungsreferenz für viele Anwendungen mehr als ausreichend ist, ist sie für Anwendungen, die eine höhere Präzision erfordern, nicht akzeptabel. Dementsprechend ermöglicht der AD7177-2BRUZ-RL7 es, bei Bedarf eine externe Referenz zu verwenden.

Die Spannungsreferenz: Die Leistung der Spannungsreferenz ist das entscheidende Element in der Signalkette. Eine interne Spannungsreferenz für den A/D-Wandler ist in den meisten Fällen vorteilhaft, da sie die Anzahl der Bauteile reduziert, Platz auf der Platine spart und eine definierte Leistung des Wandlers gewährleistet.

Eine chipintegrierte Referenz kann jedoch nicht mit der Leistung einer dedizierten, eigenständigen Komponente mithalten, die für eine bestimmte Aufgabe entwickelt, hergestellt, getrimmt und getestet wird, und zwar für eine sehr gute Aufgabe: die Bereitstellung einer hochgenauen, stabilen und rauscharmen Spannung. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, kann die Präzision, Genauigkeit und Stabilität eines Systems die der Referenz nicht übertreffen. Allerdings können Fehlereffekte zweiter und dritter Ordnung, wie z. B. Spannungen auf dem Chip und im Gehäuse durch Eigenerwärmung und thermische Gradienten, die Referenzleistung beeinträchtigen.

Aus diesem Grund bietet Analog Devices die Präzisionsspannungsreferenzen ADR1399 an, deren Design, Prozess und Gehäuse für diese eine Funktion optimiert sind. Um ihre Leistung weiter zu verbessern, verfügen die genauesten Spannungsreferenzen des Herstellers über eine eigene Heizung, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, da Temperaturschwankungen einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität haben.

Die ADR1399 sind präzise Shunt-Spannungsreferenz-ICs mit vergrabenem Zener-Schaltkreis und einem festen 7,05-V-Ausgang, die sich durch eine ausgezeichnete Temperaturstabilität über einen weiten Spannungs-, Temperatur- und Ruhestrombereich auszeichnen. Eine temperaturstabilisierende Schleife ist in den aktiven Zener auf einem monolithischen Substrat integriert, wodurch temperaturabhängige Spannungsänderungen nahezu eliminiert werden.

Der vergrabene Zener-Schaltkreis ist mit einem Ruhestrom von 3 Milliampere (mA) voll spezifiziert und bietet ein extrem niedriges Rauschen von 1,44 μV p-p von 0,1 bis 10 Hz und 1,84 µV_RMS von 10 Hz bis 1 kHz. Außerdem besitzt er einen extrem niedrigen Temperaturkoeffizienten von 0,2 ppm/℃ und eine ausgezeichnete Langzeitstabilität von 7 ppm/Wurzel aus 1000 Stunden (ppm/√1000 h).

Diese Komponente ist in zwei Versionen erhältlich. Die ADR1399KHZ (Abbildung 5, oben, links) befindet sich in einem einfachen, hermetisch versiegelten TO-46-Gehäuse mit 4 Pins, das in einem Kunststoff-Wärmeisolator untergebracht ist. Der Isolator trägt dazu bei, Umgebungsschwankungen auf ein Minimum zu beschränken und die erforderliche Heizleistung zu reduzieren.

Im Gegensatz dazu befindet sich die ADR1399KEZ (Abbildung 5, unten, links) in einem nicht isolierten, 8-poligen, oberflächenmontierten Leadless-Chip-Carrier (LCC). Zwei der vier zusätzlichen Pins sind intern nicht verbunden, während die beiden anderen die aktive Referenz in eine Kelvin-Verbindung mit Kraft- und Sensorfunktion aufteilen, um eine höhere Genauigkeit zu ermöglichen. Die Auswirkung des Gehäusetyps auf die Referenzspannung in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt den vernachlässigbaren Unterschied zwischen der ADR1399KHZ in einem TO-46-Gehäuse (Abbildung 5, oben, rechts) und der ADR1399KEZ in einem LCC (Abbildung 5, unten, rechts).

Abbildung 5: Der Einfluss des Gehäusetyps (links) auf die Referenzspannung in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt den vernachlässigbaren Unterschied zwischen der ADR1399KHZ in einem TO-46-Gehäuse (oben, rechts) und der ADR1399KEZ in einem LCC (unten, rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Schaltkreistopologie

Um Präzision zu erreichen, müssen in der Entwicklung auch Topologien und Architekturen verwendet werden, die Fehlerquellen von Natur aus reduzieren oder sogar ausschalten. Bei einigen Signalen sind differenzielle Konfigurationen erforderlich, um das induzierte Rauschen auszugleichen und zu unterdrücken. Abgestimmte und nachgeführte Widerstände können, wie bereits erwähnt, die differenzielle Leistung eines Verstärkers verbessern, insbesondere über den Temperaturbereich. Darüber hinaus wird die vierarmige Wheatstone-Brücke häufig verwendet, um eine ratiometrische Messanordnung zu schaffen, bei der sich unerwünschte Driftwerte in den Brückenarmen gegenseitig aufheben, so dass nur das interessierende Signal übrig bleibt.

Physische Umsetzung

Die physische Konstruktion eines Präzisionsdesigns spielt eine wichtige Rolle für die Leistung. Es gibt viele Faktoren zu berücksichtigen, darunter EMI-Abschirmung und thermoelektrische Effekte. Jede Verbindung von ungleichen Metallen bildet einen thermoelektrischen Übergang, der eine kleine temperaturabhängige Spannung erzeugt (Seebeck-Effekt). Diese können in Schaltungen mit geringer Drift die dominierende Fehlerquelle sein. Steckverbinder, Schalter, Relaiskontakte, Sockel, Widerstände und Lötmittel sind allesamt Kandidaten für die Erzeugung erheblicher thermischer elektromotorischer Kräfte (EMK).

Selbst Verbindungsstellen aus Kupferdraht verschiedener Hersteller können thermische EMK von 200 nV/°C erzeugen, was mehr als das 10-fache der maximalen Driftspezifikation des ADA4523-1BCPZ-RL7 ist. Abbildung 6 veranschaulicht die mögliche Größe der EMK-Spannungen und ihre Temperaturempfindlichkeit.

Abbildung 6: Dargestellt sind die thermischen EMK, die durch die Verbindung von zwei Kupferdrähten verschiedener Hersteller (links) und von Lot an Kupfer (rechts) erzeugt werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Natürlich sind die mehrfachen Erdungen der Stromkreise ein wichtiger Faktor. Erhebliche, niederohmige, getrennte analoge und digitale Erdungen sind unerlässlich. Die Stromflüsse müssen kartiert und von empfindlichen Bereichen ferngehalten werden, wobei es nur einen Verbindungspunkt zwischen den beiden Erdungsregimen geben darf. Die üblichen Überlegungen zur Verwendung sorgfältig platzierter Bypass-Kondensatoren zwischen den Stromschienen und der Erdungen in der Nähe ihrer Lasten gelten ebenfalls.

Kalibrierung

Es mag den Anschein haben, dass die Kalibrierung des endgültigen Geräts der direkteste Weg zur Lösung von Genauigkeits- und Stabilitätsproblemen ist, aber das ist in der Regel nicht der Fall. Die Kalibrierung mit dieser Auflösungsgenauigkeit erfordert ein extrem kostspieliges Normal mit einem sorgfältig arrangierten Aufbau und ist ein zeitaufwändiger Prozess. Außerdem müsste das Gerät in einem bestimmten Zyklus neu kalibriert werden.

Die Kalibrierungsergebnisse werden auf verschiedene Weise verwendet, um den Anzeigefehler zu korrigieren oder auszugleichen. Die Kalibrierung ist am effektivsten zur Überprüfung der Leistung eines Entwurfs und nicht als Taktik zum Erreichen der gewünschten Ziele.

Fazit

Das Erreichen einer sinnvollen Präzision und Genauigkeit von 7,5 Stellen ist eine große Herausforderung im Analog- und Mischsignal-Design. Die Designlösung muss die richtigen Komponenten, die korrekte Schaltungstopologie, das richtige physische Layout und die geeignete Kalibrierung kombinieren. Die erstklassigen Komponenten, das Fachwissen und die Anwendungsunterstützung von Analog Devices in Verbindung mit der sorgfältigen Beachtung von Design-Feinheiten machen es möglich, diese Herausforderung zu meistern.