Warum die Wahl der Stromversorgung bei Präzisionssignalketten wichtig ist

Wenn wir unsere analogen Schaltungen entwerfen, tauchen wir reflexartig in die Spezifikationsdetails für jede Komponente der Schaltung ein. Dafür bekommt man die Bestnote für den Enthusiasmus, aber das endgültige Design könnte hinsichtlich der Leistung leiden. Hier erfahren Sie, warum und wie Sie diesen Fehler vermeiden können.

Wenn Sie an einem Ultrapräzisionsschaltkreis arbeiten, der für eine schnelle Einschwingzeit mit geringer Latenz optimiert ist, haben Sie anscheinend einen Marschbefehl für Ihren Schaltkreisentwurf. Für diesen Hochpräzisionsschaltkreis wählen Sie Komponenten mit geringem Rauschen und hoher Geschwindigkeit, um die Latenzzeit unter Kontrolle zu halten. Ein entsprechendes Blockdiagramm für diese Art von Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Es enthält viele Komponenten, die das analoge Signal über die Isolationsbarriere übertragen.

Abbildung 1: Eine anpassungsfähige Signalkette zur latenzarmen Spannungs-/Strommessung. (Bildquelle: Analog Devices)

Angesichts dieses Szenarios werden die Details der Präzisionskomponenten sofort deutlich. Der ADG5421F von Analog Devices ist eine Komponente mit zwei ±60V-SPST-Schaltern (Single Pole, Single Throw = einpoliger Einschalter (Ein-Aus)) mit 11 Ohm (Ω) R_ON für Fehlerschutz und -erkennung. Diese Komponente erkennt, wenn die Differenz zwischen zwei Eingängen die Stromversorgung übersteigt und erzeugt eine Fehlermeldung.

Die Verstärkungsstufe ist ein LTC6373 von Analog Devices, ein 36V-Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung. Der LTC6373 verstärkt das Eingangssignal des Sensors auf die notwendigen Pegel der folgenden Analog/Digital-Wandler (ADC). Der Filter ist eine einpolige, diskrete Widerstands-Kondensator-Schaltung (R-C). Dieser Filter hat eine Anti-Aliasing-Funktion, um höherfrequente Signale abzuschwächen.

Die Analog/Digital-Wandlerschaltung beginnt mit dem ADA4896-2 von Analog Devices, einem zweikanaligen Rail-to-Rail-Ausgangsverstärker mit geringem Stromverbrauch. Dieser dient als Treiberverstärker für den ADC. Als Nächstes folgt der 24-Bit-Doppelkanal-SAR-ADC AD4630-24 (SAR: Sukzessive Approximationsregister) von Analog Devices mit einer Abtastrate von 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s), der eine hochpräzise latenzfreie Umwandlung durchführt.

Der Spannungsreferenzteil des ADC besteht aus dem LTC6655LN von Analog Devices, einer Serienspannungsreferenz mit einem festen 5-Volt-Ausgang, und dem ADA4523-1BCPZ von Analog Devices, einem driftlosen Verstärker, der einen Puffer zwischen der Spannungsreferenz und dem ADA4523-Referenzeingangspin bildet.

Abgerundet wird das Design durch den digitalen Isolator ADuM14xE von Analog Devices, der die Schaltkreise isoliert und weiter schützt.

Denken Sie über die Präzisionsspezifikationen hinaus

STOPP. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie der Analogschaltungsentwickler für Ihre Gruppe sind. Herzlichen Glückwunsch: Sie gehören jetzt zu einer Elite von Ingenieuren, auch wenn es eine ständige Lernerfahrung bleiben wird. In diesem Sinne hoffe ich, dass Sie mir erlauben, einige Empfehlungen auszusprechen, von denen Sie vielleicht noch nicht gehört haben. Legen Sie zunächst Ihre Analog-Tutorials beiseite und überlegen Sie sich, wie Sie einige grundlegende Probleme anders angehen können, angefangen bei der Stromversorgung, dem Ruhestrom, dem Rauschen und der Präzision.

In den vielen Jahren, in denen ich mich mit der Entwicklung von analogen Geräten beschäftigt habe, kam mir diese Technik oft erst am Ende meines Entwicklungszyklus in den Sinn, und ja, ich habe durch schmerzhafte Änderungs- und Verfeinerungsprozesse gehen müssen. Jetzt müssen Sie das nicht mehr.

Außerdem ist klar, dass der Trend in der Industrie zu geringerer Verlustleistung und kleineren Geometrien geht. Glücklicherweise sind wir noch nicht so weit in dieses spezielle Design eingedrungen, dass wir nicht einen Schritt zurücktreten und uns die Grundlagen der Schaltung ansehen können: Versorgungsspannung, Ruhestrom und den Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR).

Die Änderung, die ich vorschlage, besteht darin, die Stromversorgungslösung als kritisches Wertversprechen des Signalkettendesigns zu sehen, das den Präzisionszielen gleichwertig ist - wenn nicht sogar übergeordnet. Die Entwicklungsschritte und Überlegungen sind jetzt:

1. Erstellen Sie Ihr Blockdiagramm der Signalkette.
2. Wählen Sie mögliche Komponenten im Diagramm aus.
3. Definieren Sie:
   1. Versorgungsspannung
   2. Versorgungsstrom
   3. PSRR

Wenn Sie die Leistungsspezifikationen nicht frühzeitig und im Einklang mit Ihrem Designvorschlag berücksichtigen, steigt die Komplexität des Designs sprunghaft an. Dies ist auf das Hinzufügen komplexer Hintergrund-Stromversorgungsdesigns zurückzuführen, die aufgrund des Ruhestroms der Komponenten zu einem Anstieg des Stromverbrauchs führen. Das Ergebnis? Ein insgesamt unbefriedigendes Design, das Sie möglicherweise zurück ans Reißbrett schickt.

Schauen wir uns also die Budgets für die Versorgungsspannung, den Strom und den PSRR an.

Design mit Blick auf die Leistung

Die Schalt- (oder Schutz-) und Verstärkungsstufen (oder der programmierbare Instrumentenverstärker) benötigen einen größeren Versorgungsspannungsbereich, z. B. ±15 Volt, um einen ausreichenden Signalbereich für den Eingangssensor zu gewährleisten. Die ADC-Treiber-, Referenz-, Referenztreiber- und Isolationsblöcke benötigen durchschnittliche Spannungsversorgungsbereiche, wie ±5 Volt und +5,5 Volt, um den Signalanforderungen gerecht zu werden. Und schließlich benötigt die digitale Schnittstelle des ADC zum Controller niedrigere Spannungen, z. B. +1,8 Volt, wodurch der Gesamtstromverbrauch niedrig gehalten wird (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die jeweiligen Leistungsanforderungen der Komponenten. (Quelle der Tabelle: Analog Devices, geändert von Bonnie Baker (bezüglich der Leistung))

Laut Tabelle 1 gibt es drei positive analoge Versorgungen (15 Volt, 5,5 Volt und 5 Volt), drei positive digitale Versorgungen (5 Volt, 5 Volt und 1,8 Volt) und zwei negative analoge Versorgungen (-15 Volt und -5 Volt). Die Zahlen in Tabelle 1 verdeutlichen den Bedarf an analoger und digitaler Stromversorgung. Der ADA4896-2 dominiert das PSRR-Systembild, und die erzeugte Ruhestromleistung beträgt 487 Milliwatt (mW): minimale Leistung bei optimaler Performance.

Fazit

Wie gezeigt, kann die richtige Kombination aus Schaltern, Verstärkern und 24-Bit-ADC, wie z. B. der AD4630-24 von Analog Devices, Ihnen dabei helfen, ein Ultrapräzisionssystem mit optimierten Eigenschaften wie schnellem Einschwingen und geringer Latenzzeit zu schaffen. Um die beste Gesamtperformance zu erzielen, muss jedoch auch die Leistung berücksichtigt werden. Der ADG5421F, der LTC6373, der ADA4896-2, der AD4630-24, der LTC6655LN, der ADA4523 und der ADuM14xE bilden zusammen eine einstellbare Spannungs-/Strommesssignalkette, die die Anforderungen von Anwendungen für Messungen mit geringer Latenzzeit erfüllt und gleichzeitig den Stromverbrauch minimiert.