Spannungsausgangs-D/A-Wandler Digital/Analog-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch zum Einstellen von Vorspannungen

Die Kombination aus preiswerter Rechenleistung und hohem Speichervolumen auf eng bestückten Platinen hat das manuelle Trimmen beim Testen am Ende der Fertigung verdrängt. Früher war auf der Leiterplatte ausreichend Platz für Trimmpotentiometer oder digitale Potentiometer vorhanden. An deren Stelle werden heute hoch integrierte Spannungsausgangs-Digital/Analog-Wandler eingesetzt.

Anbieter zum Thema

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MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Linear Technology Corp.

Ein modernes Endverstärkermodul für 3G-Basisstationen arbeitet mit Hochgeschwindigkeitsprozessoren für die digitale Vorverzerrung, enthält aber bis zu 16 separate D/A-Wandler zum Einstellen der Vorspannung. Diese lässt sich einmalig am Ende der Fertigung oder dynamisch konfigurieren.

Die Vorspannung stellt man über eine Regelschleife ein. Die Ausgangsspannung des Systems wird gemessen oder überwacht und mit der gewünschten Ausgangsspannung verglichen. Die Differenz von Soll- und Istwert wird eine Steuergröße umgesetzt und zurückgeführt (Bild 1).

Überwacht ein A/D-Wandler mit 16-Bit-Auflösung die Ausgangsspannung im Rückgabepfad, wird die Systemgenauigkeit über einen D/A-Wandler mit 16-Bit-Auflösung gesteuert. Eine unzureichende Auflösung kann dazu führen, dass das System nicht stabil konvergiert. In der Praxis besitzt ein Verstärker im Vorwärtspfad meist einen D/A-Wandler, der den Versatz anpasst. Der Controller erhöht oder verringert den D/A-Wandler-Kode, bis der Ausgangsmonitor den entsprechenden Wert einliest.

In drahtlosen Kommunikationssystemen teilt man das Signal in ein phasengleiches und ein um 90° phasenverschobenes Signal auf. Ein dualer Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler kann zum Digitalisieren der Signale eingesetzt werden. Die Kanäle passt man über das Trimmen des Bereichsendwerts oder der Verstärkung jedes A/D-Wandlers über die SENSE-Pins an.

Im Schaltungsbeispiel von Bild 2 erfolgt dies mit einem dualen 12-Bit-D/A-Wandler. Die 2,5-V-Referenz wird auf 1 V – den Nennwert der SENSE-Pins – heruntergeteilt. Die Ausgangsspannungen des D/A-Wandlers LTC2627 werden über 100-kW-Widerstände geregelt, welche die von der Referenz vorgegebene Spannung anpassen. Die Referenzeingabe in den D/A-Wandler nutzt dieselbe 2,5-V-Referenz; die Speisespannung an alle drei Bauteile beträgt 3,3 V.

Dies ist ein Beispiel für eine Schleife, in der die Regelung über indirekte Nachweise wie die Unterdrückung der Spiegelfrequenzen oder dem Vergleich der Amplituden eines Pilottons erfolgt. Als dominierenden Pol nutzt man einen Kondensator auf dem Sense-Pin. PID-Regler (proportional, integral, differenzial) können hier vorteilhaft wirken oder zur Überdämpfung führen.

Bei der Regelung sind Kondensatoren an den SENSE-Pins notwendig, um Rauschen zu vermeiden. Das führt in vielen Fällen zu Verzögerungen beim Bestimmen der Wechselstromverstärkung der beiden Kanäle. Eine Fourier-Transformation wird durchgeführt, um die Amplituden der beiden Darstellungen eines einzelnen Tons exakt zu vergleichen. Dies führt ebenfalls zu Nachlaufeffekten. Dieses Verfahren lässt sich während der normalen Signalverarbeitung ansetzen und über Hintergrundprozesse mitteln, konditionieren und in DAC-Kode übertragen. Der Bereich für den Abgleich des D/A-Wandlers lässt sich erweitern, um Verstärkungsfehler der gesamten phasengleichen/phasenverschobenen Signalkette aufzunehmen, oder so optimieren, dass er nur den beiden A/D-Wandlern entspricht.

Das gilt es bei der Vorspannungseinstellung zu beachten

Für die Vorspannungseinstellung sollten verschiedene Aspekte bei der Auswahl des passenden D/A-Wandlers berücksichtigt werden. Der Abgleichsbereich und die erforderliche Genauigkeit bestimmen die erforderliche Auflösung des D/A-Wandlers. Bei einigen Anwendungen lässt sich der Vorspannungspunkt so einstellen, dass der D/A-Wandler ober- oder unterhalb des Einsatzpunktes angesteuert wird.

In anderen Applikationen muss der D/A-Wandler möglicherweise nur auf Empfänger oder Quelle eingestellt werden. Die Schnelligkeit der Rückkopplungsschleife und die Last beschränken die Einschwingzeit des D/A-Wandlers. Der D/A-Umsetzer sollte idealerweise mit der verfügbaren Versorgungsspannung arbeiten, keinen wesentlichen Versorgungsstrom ziehen und eine zu den verfügbaren E/A-Ressourcen passende Schnittstelle bieten.

Die verfügbare Leiterplattenfläche schränkt die Auswahl der D/A-Wandler hinsichtlich der Gehäusegröße und der Anzahl der Wandler pro Gehäuse ein. Bei der Auswahl sollten die Spezifikationen mit den Datenblattparametern des zu bewertenden D/A-Wandlers abgeglichen werden. Die Tabelle enthält verschiedene Schlüsselparameter.

Auswahl des passenden D/A-Wandlers

Die Familie LTC2600 ist ein Beispiel für Parameter, die bei der Vorspannungsseinstellung erforderlich sind. Sie ist mit Auflösungen von 12 bis 16 Bit verfügbar und umfasst Achtfach-D/A-Wandler bis zu Einzel-D/A-Wandlern mit I2C- oder SPI-Schnittstelle. Jedes Gerät garantiert eine differenzielle Nichtlinearität von ±1 LSB und eine minimale Offsetspannung 9 mV. Die Architektur ist inhärent monoton und integriert Ausgangpuffer. Die Ausgangpuffer sind durch eine sehr gute Aussteuerung im gesamten Versorgungsspannungsbereich von 2,7 bis 5,5 V gekennzeichnet.

Die D/A-Wandlerausgänge steuern direkt kapazitive Lasten bis 1000 pF oder Stromlasten bis 15 mA und behalten gute Linearitätswerte bis in den mV-Bereich von VCC oder Masse bei. Darüber hinaus reduziert eine geringe Ausgangsstörspannung (15 µVp-p) die Zahl der Ausgangsfilter. Übersprechen zwischen zwei Wandlern (<10 µV) wird als Fehlerquelle ausgeschlossen. Durch den niedrige Versorgungsstrom von 250 µA pro D/A-Wandler bei 3 V und dem maximalen Ausschaltstrom von 1 µA sind die Wandler für batteriebetriebene Anwendungen geeignet.

Spezielle Funktionen erleichtern das Programmieren

Spezielle Funktionen erleichtern das Programmieren: Der LTC2601, ein Einzel-D/A-Wandler in einem 3 mm x 3 mm Gehäuse, besitzt einen asynchronen Update-Pin, über den die aktualisierten Wandlerdaten über ein Hardwaresignal synchronisiert werden und der ebenfalls gleichzeitige Updates mehrerer D/A-Wandler in einem System zulässt. Der Baustein besitzt einen asynchronen Clear-Pin für Servo- und Steueranwendungen.

In der Grundversion werden die Bauteile auf ein Clear-Signal gegen Masse geschaltet oder zurückgesetzt, während die anderen Versionen sich an der Skalenmitte orientieren. Dies ist vorteilhaft, wenn der Vorspannungspunkt so konfiguriert ist, dass der D/A-Wandler unterhalb oder oberhalb des Arbeitspunktes arbeitet. In vielen Fällen kann dadurch das System im Nennzustand eingeschaltet werden statt am maximalen negativen Vorspannungspunkt.

Der I2C-Bus ist bei eine großen Anzahl von D/A-Wandlern pro System oft die beste Schnittstelle. Er bietet den Vorteil, eine große Bauteilanzahl mit nur zwei Signalleitungen zu unterstützen: SCL und SDA. Die Chipauswahlfunktion ist in das serielle Protokoll eingebunden und nutzt eine 7-Bit-Adresse. Der Benutzer kann 27 Adressen mit drei Pins wählen.

Die Zunahme von Digitale Funktionen nehmen stetig zu. Damit verbunden ist ein höherer Anteil an softwaregesteuerter Vorspannungsanpassung von analogen Bauelementen. Kleine D/A-Wandler mit geringem Stromverbrauch wie der LTC2600 erfüllen die Anforderungen in Systemen mit vielen digitalen Komponenten wie Basisstation-Sender/Empfänger mit verschiedenen Auflösungen, Kanalnummern und Schnittstellenoptionen.

*Todd Nelson ist Marketing Manager für den Bereich Mixed Signal bei der Linear Technology Corporation in Milpitas, CA,USA.

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