Höhere Integrationsstufen: meist eine gute Idee, manchmal aber auch nicht

Eine durchgängige Botschaft der IC-Technologie der letzten Jahrzehnte ist, dass eine höhere Funktionsintegration eine gute Sache für alle digitalen und Mischsignal-Anwendungen ist. Da neue Komponenten einen größeren Teil der Signalkette integrieren, ergeben sich zahlreiche Vorteile, wie z. B. eine einfachere Konstruktion, weniger Verbindungen, höhere Zuverlässigkeit, weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte, weniger Inkompatibilität zwischen den Komponenten, geringere Verlustleistung, garantierte Leistung auf Systemebene, ein umfassenderes Datenblatt und natürlich niedrigere Kosten.

Aber die Integrationsgeschichte ist nicht völlig einseitig. Dieselben Anbieter, die ein hohes Maß an Integration in einem einzigen IC anbieten, führen auch leistungsstarke ICs mit minimalen Funktionen ein, wie z. B. Operationsverstärker (OPVs), die als Grundbausteine dienen.

In gewisser Weise widersprechen sich die beiden Geschichten. Warum sollte man sich für einen Operationsverstärker mit nur einer Funktion entscheiden, wenn man mit einer höher integrierten Komponente „alles“ oder zumindest „viel mehr“ haben kann? Die Antwort ist kompliziert, da sie von den Spezifikationen der Komponenten, ihrer relativen Ausgewogenheit zueinander, der Anwendung, ihren Prioritäten und vor allem von den damit verbundenen Kompromissen abhängt.

Kompromisse zu schließen, um die Ziele trotz Einschränkungen zu erreichen, ist der Kern des technischen Designs und des Fachwissens. Die Attraktivität der höher integrierten Komponente muss gegen etwaige Leistungsmängel bei einem kritischen Parameter im Vergleich zu einem hoch optimierten Baustein mit einer einzigen Funktion abgewogen werden, der zum Aufbau eines vollständigen Systems verwendet werden kann. Zur Veranschaulichung werden wir zwei sehr unterschiedliche Komponenten von Analog Devices verwenden.

Das elektrochemische Frontend AD5490 von Analog Devices

Das kürzlich vorgestellte AD5490 von Analog Devices ist ein komplettes elektrochemisches Frontend für potentiostatische, amperometrische und voltammetrische Messungen, die zu den Standardanforderungen in elektrochemischen und biologischen Experimenten gehören (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der AD5490 von Analog Devices ist ein komplettes elektrochemisches Frontend für elektrochemische und biologische Experimente. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser IC ist für die Messung von Sensorausgängen über den weiten Bereich von 50 Picoampere (pA, oder 10^-12 Ampere) bis 3 Milliampere (mA, oder 10^-3 A) ausgelegt, eine Spanne, die bei Bioimpedanzanwendungen wie der Bewertung der Haut- und Körperimpedanz, der kontinuierlichen Glukoseüberwachung sowie bei Batterieimpedanztests üblich ist (Abbildung 2). Für den AD5490 beträgt der typische Eingangsvorspannungsstrom 20 oder 80 pA, je nachdem, welcher Eingangskanal gewählt wird.

Abbildung 2: Der AD5490 ist für biochemische und Körpermessungen wie diese hochfrequente Vierdraht-Bioimpedanzschleife optimiert. (Bildquelle: Analog Devices)

Es handelt sich um einen hochentwickelten, komplexen IC, wie aus dem 133-seitigen Datenblatt hervorgeht. Der Versuch, seine Schaltkreise mit diskreten Komponenten nachzubauen, wäre ein großes Unterfangen. Zusätzlich zu seinem extrem niedrigen Eingangsvorspannungsstrom enthält dieser IC Analog/Digital-Wandler (ADC), Digital/Analog-Wandler (DAC), Spannungsreferenzen, eine Schaltmatrix und vieles mehr.

Warum sollte ein Designer in Anbetracht all dieser Möglichkeiten nicht darauf zurückgreifen? Wenn sie die Projektziele erfüllen kann, wäre es töricht und geradezu unverantwortlich, eine vergleichbare Schaltung zu bauen, während es bereits eine gibt, die die damit verbundenen Probleme und Herausforderungen beseitigt.

Der Operationsverstärker ADA4530-1 von Analog Devices

Bei einigen Anwendungen ist jedoch ein noch geringerer Eingangsvorspannungsstrom erforderlich, z. B. bei Hochleistungs-Elektrometern und optischen Sensoren. In der Erkenntnis, dass eine Größe nicht für alle passt, hat Analog Devices vor kurzem den ADA4530-1 vorgestellt, einen Operationsverstärker mit Femtoampere (fA, oder 10⁻¹⁵ A) Eingangsvorstrom. Er enthält auch einen integrierten Schutzpuffer gegen Streupotenzialdifferenzen, die zu unerwünschtem Stromfluss führen könnten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Operationsverstärker ADA4530-1 zeichnet sich durch einen Eingangsvorspannungsstrom auf Femtoampere-Niveau aus und verfügt über integrierte Schutzpufferanschlüsse (GRD), die als Barriere gegen Streupotenzialunterschiede wirken, die zu einem unerwünschten Stromfluss führen könnten. (Bildquelle: Analog Devices)

Selbst dieses funktionell einfache Gerät hat viele Feinheiten, wie das 52-seitige Datenblatt beweist. Sein Eingangsvorspannungsstrom ist um drei Größenordnungen geringer als der des Frontend-ICs AD5490, und er hat einen niedrigen Temperaturkoeffizienten von bis zu etwa 60⁰C (Abbildung 4). Beides sind sehr beeindruckende Spezifikationen für diese subtilen, aber kritischen Attribute in ihren Zielanwendungen.

Abbildung 4: Das Diagramm des Eingangsvorspannungsstroms in Abhängigkeit von der Temperatur für den ADA4530-1 zeigt, dass er unter oder nahe bei etwa 0,1 fA bis zu 55 bis 60⁰C bleibt und somit für Stabilität und Fehlerminimierung der Systemleistung sorgt. (Bildquelle: Analog Devices)

Da er sich vor allem auf einen Parameter konzentriert - einen extrem niedrigen Bias-Strom - kann er in einem Design-, Prozess- und Fertigungsablauf verwendet werden, der für dieses Attribut optimiert ist, der jedoch für andere zugehörige Funktionen wie ADCs, DACs oder Spannungsreferenzen weniger geeignet sein kann.

Fazit

Im Allgemeinen ist der anhaltende Trend zu zusätzlicher Integration ein Gewinn für Anbieter und Designer. Dennoch gibt es Beispiele wie den ADA5430-1, die zeigen, dass einzelne Low-Level-Blöcke, die jeweils für ein bestimmtes Attribut optimiert sind, immer noch ihren Platz haben. Dies gilt insbesondere, wenn empfindliche, rauscharme analoge Schaltungen von DC bis HF Priorität haben und das Projekt auch gemischte analoge/digitale oder sogar rein digitale Funktionen wie Prozessoren und Speicher verschiedener Art erfordert.

Wenn Sie sich für ein stärker integriertes Produkt entscheiden oder Ihr eigenes aus einzelnen Komponenten zusammenstellen wollen, lohnt es sich, die neuesten Versionen der relevanten Anbieter zu prüfen, da sich die Möglichkeiten schnell ändern. Dennoch wird es Zeiten geben, in denen ein einfaches, kompromisslos optimiertes Gerät mit nur einer Funktion für ein erfolgreiches Gesamtdesign unerlässlich ist.

Viele werden vom ADA5430-1 profitieren, müssen aber auch die zugehörigen Schaltungen selbst bauen. Das ist ein Kompromiss, den sie sorgfältig abwägen müssen, um dann zu entscheiden, ob die Herausforderung den Nutzen wert ist. Allerdings können Anwendungsanforderungen und Wettbewerbsdruck für sie entscheidend sein.

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