Datenerfassung PGIA: Frontend-Design für stark unterschiedliche Signalpegel

Von Kristina Fortunado *

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Frontends von Datenerfassungssystemen müssen oft mit sehr unterschiedlichen Sensorempfindlichkeiten zurechtkommen. Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung, kurz PGIAs, bieten sich als gute Lösung für das Design dieser Komponenten an.

Kompakt: Für das Frontend-Design von Datenerfassungssystemen, die z. B. in Fertigungsanlagen zum 
Einsatz kommen, können Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung eine große Hilfe sein.
Kompakt: Für das Frontend-Design von Datenerfassungssystemen, die z. B. in Fertigungsanlagen zum 
Einsatz kommen, können Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung eine große Hilfe sein.
(Bild: © jeson - stock.adobe.com)

Datenerfassungssysteme (DAQs) werden in vielen Branchen für unterschiedlichste Anwendungsspektren eingesetzt, etwa in der Forschung und Analyse, in der Designverifizierung und Fertigung sowie in Testsystemen. DAQs sind typischerweise mit verschiedenen Sensoren verbunden, was eine Herausforderung für das Frontend darstellt. Dabei sind unterschiedliche Sensorempfindlichkeiten zu berücksichtigen. Zum Beispiel wenn es einen Sensor an ein System anzuschließen gilt, der eine maximale Ausgangsspannung von 10 mV und eine Empfindlichkeit im Submikrovoltbereich aufweist, während es zugleich mit einem weiteren Sensor mit 10-V-Ausgang verbunden ist. Mit nur einer Verstärkung muss das System eine sehr hohe Auflösung haben, um beide Eingänge entsprechend genau erfassen zu können. Jedoch wird selbst dann das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) bei den niedrigsten Eingangssignalen beeinträchtigt. In diesen Anwendungen sind Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGIAs) eine gute Lösung für das Frontend, da sich mit Ihnen die Empfindlichkeiten der verschiedenen Sensorschnittstellen anpassen und zugleich das SNR optimieren lässt. Es gibt integrierte PGIAs, mit denen gute DC- und AC-Spezifikationen erreicht werden können. Dieser Beitrag erläutert die verschiedenen integrierten PGIAs und die Vorteile bei ihrem jeweiligen Einsatz. Beschrieben werden auch Einschränkungen und Richtlinien für die Entwicklung eines diskret aufgebauten PGIAs, der bestimmte Anforderungen zu erfüllen hat.

Integrierte PGIAs benötigen weniger Platz

ADI hat eine Reihe von integrierten PGIAs im Portfolio. Integrierte PGIAs bieten den Vorteil einer kürzeren Entwicklungszeit und eines geringeren Platzbedarfs auf der Leiterplatte. Die digital einstellbare Verstärkung von PGIAs wird mit internen Präzisions­widerstandsarrays realisiert. Durch Abgleich der integrierten Widerstandsarrays (On-Chip-Trimming) lassen sich Verstärkung, Gleichtaktunterdrückung (CMRR) und Offsets optimieren, was zu einer guten allgemeinen DC-Leistungsfähigkeit führt.

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Durch gezielte Designtechniken für ein kompaktes IC-Layout lassen sich parasitäre Effekte minimieren und eine ausgezeichnete Anpassung gewährleisten. Dadurch ergibt sich eine gute AC-Leistungsfähigkeit. Aufgrund dieser Vorteile ist es stets zu empfehlen, einen integrierten PGIA zu wählen, der auch die Designanforderungen erfüllt. In Tabelle 1 sind die verfügbaren integrierten PGIAs mit den entsprechenden Schlüsselspezifikationen zusammengefasst.

Tabelle 1: Spezifikationen von Instrumentenverstärkern mit programmierbarer Verstärkung.
Tabelle 1: Spezifikationen von Instrumentenverstärkern mit programmierbarer Verstärkung.
(Bild: ADI)

Die Wahl eines geeigneten PGIA ist von den jeweiligen Anforderungen der Anwendung abhängig. Der Baustein AD825x eignet sich beispielsweise aufgrund seiner kurzen Einschwingzeit und seiner hohen Flanken­steilheit speziell für Multiplex-Systeme, wohingegen der AD8231 und der LTC6915 mit Zero-Drift-Architekturen für Systeme prädestiniert sind, bei denen eine präzise Leistungsfähigkeit über einen großen Temperaturbereich erforderlich ist. Darüber hinaus gibt es auch eine Reihe von integrierten Komponentenlösungen, die Multiplexer, PGIA und ADC in einem Gehäuse enthalten und somit eine DAQ-Komplettlösung darstellen. Beispiele dafür sind die Bauteile ADAS3022, ADAS3023 und AD7124-8 (Tabelle 2).

Tabelle 2: Spezifikationen von DAQ-Systemen.
Tabelle 2: Spezifikationen von DAQ-Systemen.
(Bild: ADI)

Die Auswahl dieser Lösungen richtet sich im Wesentlichen nach den Spezifikationen der Eingangssignalquellen. Das Datenerfassungssystem AD7124-8 wurde für langsamere Anwendungen mit sehr hoher Präzision entwickelt, wie Temperatur- und Druckmessungen. Der ADAS3022 und der ADAS3023 werden gerne für Anwendungen mit relativ hoher Bandbreite verwendet. Dies ist u. a. in der Prozesssteuerung oder bei der Überwachung von Versorgungsleitungen erforderlich. Sie haben jedoch einen höheren Stromverbrauch als der AD7124-8.

Die Implementierung eines diskreten PGIA

Manche Systeme müssen möglicherweise Spezifikationen erfüllen, die nicht alle mit den oben genannten integrierten Bauteilen erreichbar sind. So veranlassen die folgenden Anforderungen in der Regel Anwender dazu, einen eigenen PGIA aus diskreten Bauteilen aufzubauen:

  • Sehr hohe Abtastraten in Multiplexer­systemen, die eine höhere Bandbreite erfordern
  • Extrem geringe Leistungsaufnahme (Ultra Low-Power)
  • Kundenspezifische Verstärkungen oder Dämpfungen im System
  • Niedriger Eingangsbiasstrom für Sensoren mit hoher Impedanz
  • Sehr niedriges Rauschen

Ein bei der Entwicklung diskret aufgebauter PGIAs häufig verwendeter Ansatz ist, eingangsseitig einen Instrumentenverstärker mit den erforderlichen Eingangseigenschaften, wie das niedrige Rauschen des AD8421, in Verbindung mit einem Multiplexer einzusetzen, der den Verstärkungswiderstand für verschiedene Verstärkungen schaltet. In dieser Konfiguration befindet sich der Einschaltwiderstand des Multiplexers in Reihe mit dem Verstärkungswiderstand geschaltet. Allerdings kann ein Problem entstehen, wenn sich der Einschaltwiderstand in Abhängigkeit von der am Drain-Anschluss anliegenden Spannung ändert. Bild 2 im Datenblatt des ADG1208 verdeutlicht diesen Zusammenhang.

Aus der Reihenschaltung von Einschaltwiderstand und Verstärkungswiderstand resultiert eine Nichtlinearität in der Verstärkung - die Verstärkung ändert sich unerwünschter Weise mit der Gleichtaktspannung. So benötigt beispielsweise der AD8421 einen Verstärkungswiderstand von 1,1 kΩ für eine Verstärkung von 10. Beim ADG1208 ändert sich der Einschaltwiderstand um bis zu 40 Ω, wobei die Source- oder Drain-Spannung von ±15 V variiert. Dies führt zu einer Verstärkungsnichtlinearität von etwa 3 Prozent. Bei größeren Verstärkungen wird dieser Fehler noch deutlicher – der Einschaltwiderstand kann hierbei die gleiche Größenordnung annehmen wie der Verstärkungswiderstand.

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Alternativ lassen sich auch Multiplexer mit niedrigem Einschaltwiderstand verwenden, um diesen Effekt zu minimieren. Allerdings führt diese Lösung zu höheren Eingangskapazitäten, wie in Tabelle 3 anhand der Gegenüberstellung des ADG1208 und ADG1408 aufgezeigt ist.

Tabelle 3: Gegenüberstellung von Einschaltwiderstand und Kapazität bei Multiplexern.
Tabelle 3: Gegenüberstellung von Einschaltwiderstand und Kapazität bei Multiplexern.
(Bild: ADI)

Kapazitäten können zu Peaking und Instabilität führen

Die Eingangskapazität des Schalters führt zu einem weiteren Problem in der Konfiguration in Bild 1, da die RG-Pins an einem beliebigen dreipoligen Operations-/Instrumentenverstärker sehr empfindlich gegenüber Kapazitäten sind. Die Kapazitäten des Schalters können zu Peaking oder Instabilität in dieser Schaltung führen. Ein größeres Problem ist, dass das kapazitive Ungleichgewicht an den RG-Pins das AC-Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) reduziert, welches eine wesentliche Spezifikation von Instrumentenverstärkern ist. Der Simulationsplot in Bild 3 zeigt, wie das CMRR mit verschiedenen Multiplexern über die Verstärkungspins des AD8421 abfällt. Die Darstellung zeigt deutlich, dass die CMRR mit zunehmender Kapazität stärker abfällt.

Der Rückgang der AC-CMRR lässt sich am besten abschwächen, indem man dafür sorgt, dass die RG-Pins die gleiche Impedanz aufweisen. Dies kann durch einen Abgleich der Widerstände und Platzieren des Schalters zwischen den beiden Widerständen erfolgen (Bild 4). Ein Multiplexer funktioniert in diesem Fall nicht, da an den beiden Enden der Schalter ein kapazitives Ungleichgewicht vorhanden ist. Da die Drain-Anschlüsse des Multiplexers kurzgeschlossen sind, kann auf einer Seite der RG-Pins nur ein einzelner Widerstand verwendet werden, was immer noch zu einem Ungleichgewicht führt. In diesem Fall wird ein Vierfach-SPST-Schalter, wie der ADG5412F, empfohlen. Dieser bietet die Flexibilität, symmetrische Widerstände zu verwenden, wodurch auch die Kapazitäten an Drain und Source symmetrisch sind, was wiederum die Verringerung des CMRR reduziert. Bild 5 zeigt den Vergleich des AC-CMRR, wenn ein Multiplexer über die Verstärkungspins des AD8421 verwendet wird, mit einem Vierfach-Schalter in SPST-Konfiguration. Der ADG5412F weist ferner einen niedrigen Einschaltwiderstand auf, dessen Kennlinie über die Drain- oder Source-Spannung sehr flach verläuft (Bild 6). Er ist spezifiziert, bis zu einem Maximum von 1,1 Ω über die Drain- oder Source-Spannung zu wechseln. Im ursprünglichen Beispiel mit dem AD8421 bei einer Verstärkung von 10 und einem Verstärkungswiderstand von 1,1 kΩ würde der Schalter nur 0,1 Prozent der Verstärkungsnichtlinearität hervorrufen. Es gibt jedoch noch die Drift-Komponente, die sich bei höheren Verstärkungen noch stärker ausprägt.

Parasitäre Widerstandseffekte des Schalters eliminieren

Um die parasitären Widerstandseffekte des Schalters zu eliminieren, kann zur Generierung beliebiger Verstärkungen ein Instrumentenverstärker mit einer anderen Architektur verwendet werden. Die Modelle AD8420 und AD8237 haben einen indirekten Stromrückführungspfad (engl. Indirect current feedback, ICF) und sind eine gute Wahl für Anwendungen, die eine geringe Leistungsaufnahme und Bandbreite erfordern. In dieser Konfiguration befindet sich der Schalter in einem hochohmigen Abtastpfad, so dass die Verstärkung nicht durch den sich ändernden Einschaltwiderstand des Schalters beeinflusst wird. Bei diesen Verstärkern wird die Verstärkung über das Verhältnis der externen Widerstände eingestellt, wie bei einem nichtinvertierenden Verstärker. Dies gibt Anwendern mehr Flexibilität, da die Widerstände zur Einstellung der Verstärkung je nach Designanforderung ausgewählt werden können. Klassische Dünnschicht- oder Metallschichtwiderstände können Temperaturkoeffizienten von bis zu 15 ppm/°C aufweisen. Mit diesen Werten ergibt sich ein besserer Verstärkungsdrift als bei Standard-Instrumentenverstärkern, bei denen die Verstärkung mit nur einem externen Widerstand eingestellt wird und die Abweichung zwischen dem On-Chip- und den externen Widerständen typischerweise den Verstärkungsdrift auf etwa 50 ppm/°C begrenzt. Mittels Widerstandsnetzwerke lässt sich ein noch besseres Verstärkungsfehler- und Driftverhalten erzielen. Allerdings erhöht dies die Kosten.

Eine weitere Lösung ist die aus drei Operations- beziehungsweise Instrumentenverstärkern bestehende Architektur (Bild 8), bei der Multiplexer zum Schalten der Verstärkungswiderstände dienen. Diese bietet die größte Flexibilität. Im Vergleich zu Instrumentenverstärkern gibt es eine viel größere Auswahl an Operationsverstärkern, was es erlaubt, Schaltungen entsprechend bestimmter Anforderungen zu entwickeln. Spezialfunktionen, beispielsweise Filterung, können in diese erste Stufe implementiert werden. Ein differentieller Verstärker in der zweiten Stufe vervollständigt diese Architektur. Die Wahl der Eingangsverstärker ist direkt abhängig von den DAQ-Anforderungen. So erfordert ein Low-Power-Design den Einsatz von Verstärkern mit niedrigem Ruhestrom, während Systeme für hochohmige Sensoren Verstärker mit sehr niedrigem Biasstrom benötigen, um Fehler zu minimieren. Für ein besseres Temperaturverhalten sollten Zweifach-Verstärker eingesetzt werden. Man beachte, dass bei der Konfiguration in Bild 8 der Einschaltwiderstand des Schalters in Reihe mit dem hochohmigen Eingang des Verstärkers liegt und somit die Verstärkung nicht beeinflusst. Im Hinblick auf auf den Kompromiss zwischen Einschaltwiderstand und Schalter-Eingangskapazität und unter Berücksichtigung, dass die Einschränkung des Einschaltwiderstands aufgehoben ist, können Schalter mit niedriger Eingangskapazität, wie zum Beispiel der ADG1209, gewählt werden. Auf diese Weise werden Instabilitäten und ein Absenken des AC-CMRR-Wertes vermieden.

Wiederstände bestimmen Genauigkeit und Drift

Wie beim vorherigen Design bestimmen die Widerstände die Verstärkungsgenauigkeit und den Drift. Diskrete Widerstände können den Schaltungsanforderungen entsprechend mit der richtigen Toleranz und Drift gewählt werden. Auch hier ist mit Widerstandsnetzwerken eine höhere Genauigkeit für eine bessere Toleranz und Temperaturverfolgung zu Lasten der Kosten erreichbar. Die zweite Stufe der drei Operationsverstärker unterdrückt Gleichtaktspannungen. Es werden für diese Stufe differenzielle Verstärker mit integrierten Widerstandsnetzwerken empfohlen, um eine optimale Gleichtaktunterdrückung zu gewährleisten. Für einen massebezogenen Ausgang und Anwendungen mit relativ geringer Bandbreite ist der AD8276 eine gute Wahl. Der AD8476 hingegen kann verwendet werden, wenn ein differenzieller Ausgang und eine höhere Bandbreite erforderlich sind. Eine weitere Option für die zweite Stufe ist der Einsatz des LT5400 als Verstärkungseinstellwiderstände um einen Standardverstärker herum. Dies kann zwar mehr Platz auf der Leiterplatte beanspruchen, gibt aber mehr Flexibilität bei der Wahl des Verstärkers und gestattet mehr Möglichkeiten, entsprechend einer bestimmten Anforderung zu entwickeln. Auch beim Layout für diskrete PGIAs ist Sorgfalt geboten. Jegliche Ungleichheiten im Layout der Leiterplatte führen dazu, dass die CMRR über die Frequenz abnimmt. Tabelle 4 gibt einen Überblick über die Stärken und Schwächen der einzelnen Methoden.

Tabelle 4: Vergleich verschiedener Implementierungen von Instrumentenverstärkern mit programmierbarer Verstärkung.
Tabelle 4: Vergleich verschiedener Implementierungen von Instrumentenverstärkern mit programmierbarer Verstärkung.
(Bild: ADI)

Ein Beispiel für einen diskreten PGIA, der für eine bestimmte Designspezifikation entwickelt wurde, ist in Bild 9 dargestellt. In dieser Schaltung ist der PGIA für eine sehr niedrige Leistungsaufnahme ausgelegt. Für die Eingangspuffer wurde der LTC2063 wegen seines niedrigen Versorgungsstroms von maximal 2 µA gewählt. Als Schalter dient der ADG659, da dieser neben einem niedrigen Versorgungsstroms von maximal 1 µA auch noch eine geringe Eingangskapazität aufweist. Bei der Wahl der passiven Komponenten ist außerdem auf eine möglichst geringe Leistungsaufnahme zu achten. Die Widerstände zur Einstellung der Verstärkung müssen in diesem Fall groß genug sein, um nicht zu viel Strom aufzunehmen. Die Widerstandswerte für Verstärkungen von 1, 2, 5 und 10 zeigt Bild 9. Für den differenziellen Verstärker der zweiten Stufe wurde der LTC2063 mit dem angepassten Vierfach-Widerstandsnetzwerk LT5400, 1-MΩ-Option, verwendet. Dies stellt sicher, dass nur minimaler Strom aufgenommen wird und der CMRR-Wert aufgrund der präzisen Anpassung der Widerstände erhalten bleibt.

Die Schaltung wird mit einer 5-V-Versorgung betrieben und wurde mit unterschiedlichen Gleichtaktspannungen, differenziellen Eingangsspannungen und Verstärkungen evaluiert. Unter diesen Bedingungen, bei denen auch die Referenz und die Eingänge auf der mittleren Spannung gehalten werden, nimmt die Schaltung nur 4,8 µA auf. Ein gewisser Stromanstieg ist bei unterschiedlichen differenziellen Eingängen aufgrund des Stroms durch die Verstärkungswiderstände zu erwarten: |VOUT - VREF|/(2 MΩ||1 MΩ). Bild 10 zeigt den bei unterschiedlichen Verstärkungen aufgenommenen Strom. Die Daten wurden in Bezug auf den Ausgang aufgenommen, um die Verstärkungen zu berücksichtigen. Ein zusätzlicher Anstieg des aufgenommenen Stromes ist auch bei unterschiedlichen Gleichtaktspannungen an den Eingängen zu erwarten. Die angelegte Spannung bewirkt, dass durch die Widerstände in der zweiten Stufe ein Strom fließt, der eine zusätzliche Stromaufnahme bewirkt. Dies ist gegeben durch |VCM - VREF|/1MΩ. Die Wahl von 1-MΩ-Widerständen für den LT5400 wurde speziell getroffen, um dies zu minimieren. Bild 11 zeigt den Einfluss der Gleichtaktspannung auf den bei unterschiedlichen Verstärkungen aufgenommenen Strom.

Der statische Strom der Schaltung wurde auch im Abschaltmodus (Shutdown Mode) gemessen. Wenn alle Bauteile abgeschaltet sind, beträgt die Stromaufnahme 180 nA. Dieser Wert ändert sich auch dann nicht, wenn Variablen wie Gleichtaktspannung, Referenz und differenzielle Eingänge geändert werden – solange sie alle innerhalb der angelegten Versorgungsspannung gehalten werden. Bei allen Bauteilen gibt es eine Power-Down-Option, falls zusätzliche Energie eingespart werden muss und Anwender ein Power-Cycling (Ein- und wieder Ausschalten) durchführen möchten. Für portable, batteriebetriebene Anwendungen wäre diese Schaltung äußerst nützlich.

Gute SNR-Werte bei verschiedenen Sensorempfindlichkeiten

Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung sind eine Schlüssel­komponente in der Datenerfassung und ermöglichen gute SNR-Werte, selbst bei unterschiedlichen Sensorempfindlichkeiten. Integrierte PGIAs verkürzen die Entwicklungszeit und verbessern die DC- und AC-Leistungsfähigkeit für das Frontend. Integrierte PGIAs sollten im Allgemeinen bei der Entwicklung bevorzugt werden, falls es eine Lösung gibt, die den Anforderungen entspricht. Falls die Systemanforderungen jedoch Spezifikationen vorschreiben, die mit den verfügbaren integrierten Optionen nicht erreichbar sind, kann ein diskreter PGIA aufgebaut werden. Durch Einhaltung der richtigen Designempfehlungen lässt sich die optimale Schaltung auch mit einem diskreten Ansatz realisieren.

* * Kristina Fortunado ... ist Product Applications Engineer in der Linear Products and Solutions Group von Analog Devices.

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