Beim Entwerfen mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) kann man leicht fälschlicherweise glauben, dass eine Reduzierung des Eingangssignals auf den vollen Skalenbereich des ADC zu einer erheblichen Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) führt ).
Besonders Systementwickler, die große Spannungsschwankungen bewältigen müssen, sind hierüber besorgt. Darüber hinaus sind ADCs, die mit niedrigeren Spannungen (5 V oder weniger) betrieben werden, im Vergleich zu ADCs, die mit höheren Spannungen betrieben werden, vielfältiger.
Eine höhere Spannungsversorgung führt in der Regel zu einem höheren Stromverbrauch und einem komplizierteren Leiterplattenlayout (z. B. sind mehr Entkopplungskondensatoren erforderlich).
Viele von Sensoren oder Systemen erzeugte Signale sind bipolare Hochspannungssignale (z. B. das weit verbreitete ±10-V-Signal). Es gibt jedoch viele einfache Möglichkeiten, dieses Signal durch den ADC zu leiten; Es können auch verschiedene integrierte Hochspannungs-ADC-Lösungen verwendet werden: Er kann dieses große Eingangssignal ohne Einbußen beim SNR verarbeiten. Diese Lösungen erfordern eine sehr hohe Versorgungsspannung, um die Anforderungen an den Eingangsbereich zu erfüllen, und ihr Stromverbrauch ist ebenfalls recht hoch (Abbildung 1). Diese Hochspannungs-ADCs schränken auch die Auswahl an Signalkonditionierungslösungen (Operationsverstärker) ein. Wenn das Signal mit einer Kombination aus Hochspannungs- und Niederspannungseingängen gemultiplext werden muss, steigen die Systemkosten erheblich (Abbildung 2).
Sie können den Eingangsverstärker auch verwenden, um das Signal so zu skalieren, dass es dem vollen Eingangsbereich des Niederspannungs-ADC entspricht. Diese Signalaufbereitungsschaltung kann an einen Multiplex-Eingang angeschlossen werden, sodass alle Signale mit dem ADC-Bereich übereinstimmen können (Abbildung 3).
Bei Verwendung eines Verstärkers zur Signalspannungsskalierung wird das Rauschen auf den Verstärkereingang bezogen. Derzeit gibt es zwei Hauptrauschquellen: das Eingangsreferenzrauschen des Verstärkers selbst und das reduzierte Eingangsreferenzrauschen des ADC. Diese beiden Rauschquellen werden in einem quadratischen Term zusammengefasst. Darüber hinaus wird das Rauschen des Verstärkers auch durch die Eingangsbandbreite des ADC und den Anti-Aliasing-Filter zwischen Verstärker und ADC-Eingang gefiltert, siehe Abbildung 4.
Abbildung 4: Der Zoomverstärker verursacht Rauschen, aber das Rauschen wird durch die RC-Schaltung und das Eingangsnetzwerk des ADC gefiltert.
Die Berechnungsformel des System-SNR (Verstärker-Eingangsanschluss) lautet:
Wobei: VnADC das Eingangs-RMS-Rauschen des ADC ist; VnOPA ist das Eingangsreferenzrauschen des Verstärkers (X-mal Eingangsreferenz) = einpolige Frequenz von -3 dB.
Angesichts des Gesamtbereichs des ADC, des ADC-Eingangsreferenzrauschens und des Verstärkerskalenfaktors gibt es zwei Variablen, die das Ziel der SNR-Verlustreduzierung beeinflussen: die Grenzfrequenz des Filters und das Eingangsreferenzrauschen des Verstärkers.
Wenn die Signalquelle niederfrequente Komponenten aufweist, kann ein Filter so ausgelegt werden, dass der Verstärker größeres Eingangsrauschen tolerieren kann (höheres Eingangsrauschen ist normalerweise mit einem geringeren Stromverbrauch und niedrigeren Kosten verbunden). Wenn der ADC die Bandbreite des Systems begrenzt, muss der Verstärker über ein ausreichend niedriges Eingangsreferenzrauschen verfügen, um den SNR-Verlust innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu kontrollieren.
Bei einem Eingangssignal von ±10 V und einem 5VP-P-Vollbereichs-ADC mit einem SNR von 92 dB beträgt der Skalierungsfaktor (das Verhältnis des Eingangs zum Vollbereich) beispielsweise 4. Das ADC-Eingangsreferenzrauschen in Das Datenblatt beträgt 44.4 nV RMS. Unter der Annahme, dass die Grenzfrequenz des Filters 10 kHz beträgt und das Eingangsreferenzrauschen des Verstärkers 10 nV/ (Hz) 1/2 beträgt, beträgt der SNR-Verlust: SNR(Verlust)=0.035 dB.
Wenn kein Filter vorhanden ist und die ADC-Bandbreite 10 MHz beträgt, beträgt das erforderliche Eingangsreferenzrauschen 0.3 nV/(Hz) 1/2, um den gleichen SNR-Verlust zu erzielen. Diese Anforderung ist sehr streng.
Für einen ADC mit der gleichen Bandbreite von 10 MHz beträgt der Rauschbedarf des Verstärkers 0.5 nV/(Hz) 4/1, wenn SNR(Verlust) = 2 dB zulässig ist, was relativ einfach zu implementieren ist.
Wenn daher die Systembandbreite und der zulässige SNR-Verlust gegeben sind, ist die Hinzufügung eines Proportionalverstärkers zur Umwandlung des Hochspannungssignals in einen Niederspannungs-ADC im Vollbereich eine durchaus machbare Lösung. Bei der Einspeisung mehrerer Signale mit unterschiedlichen Schwingungsamplituden in einen gemultiplexten Niederspannungs-ADC kann mit dieser Lösung ein kostengünstiges System erzielt werden.
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