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Präzisions-Operationsverstärker Schnelles Multiplexing mit geringer Leistungsaufnahme

Kris Lokere, Linear Technology

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Keysight Technologies Deutschland GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Wenn mehrere analoge Signale nacheinander gemessen werden sollen, bietet sich die Verwendung einer gemultiplexten Signalkette an, da sich der Schaltungsaufwand dadurch spürbar verringert. Damit dieses Konzept gelingt, müssen jedoch bestimmte Einzelheiten beachtet werden.

Design Note 536(Linear Technology)
Design Note 536
(Linear Technology)

Beim Design eines Systems, das eine Reihe analoger Spannungen nicht gleichzeitig messen soll, lässt sich der nachgeschaltete Schaltungsaufwand verringern, wenn man die Messungen auf ein einziges Ausgangssignal multiplext, anschließend seriell verarbeitet und die ursprünglichen Spannungen daraufhin mit Bauelementen, die von allen Kanälen gemeinsam benutzt werden, digitalisiert. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass Anzahl und Platzbedarf der benötigten Signalketten-Bauelemente nur einen Bruchteil dessen ausmachen, was bei eigenen Signalketten für jeden Messkanal erforderlich wäre.

Download Original-Design Note (PDF)
"Precision Op Amp Enables Fast Multiplexing at Low Power"

Die korrekte Implementierung einer Multiplex-Lösung erfordert jedoch die genaue Beachtung einiger Details. Dies gilt insbesondere dann, wenn schnelle Kanalwechsel, hohe Messgenauigkeit und geringe Leistungsaufnahme gewünscht werden.

Schnelle Reaktionen

Durch Multiplexing erhöht sich der Frequenzgehalt des kombinierten Signals, denn bei jedem Kanalwechsel des Multiplexers ändert das gemultiplexte Signal seinen Wert. Auch wenn die Eingangssignale selbst keine hohe Änderungsgeschwindigkeit aufweisen, ist dies beim gemultiplexten Signal sehr wohl der Fall. Alle auf den Multiplexer folgenden Schaltungen müssen deshalb in der Lage sein, schnell auf diese Änderungen zu reagieren.

Sollte sich das Ausgangssignal nicht vollständig mit der angestrebten Genauigkeit eingeschwungen haben, bevor der nächste Kanal gelesen wird, kann der Messwert eines Kanals vom Wert des vorigen Kanals beeinflusst werden. Dies entspricht im Prinzip einem Übersprechen von Kanal zu Kanal. Da der Einschaltwiderstand eines Multiplexers größer als null ist, muss sein Ausgang häufig mit einem Operationsverstärker gepuffert werden.

Bild 1. Blockschaltbild eines gemultiplexten Systems. Die als Puffer dienenden LT6011 an den Eingängen weisen eine hohe Eingangsimpedanz auf. Der auf den Multiplexer folgende LT6020 erreicht bei den Kanalwechseln des Multiplexers eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit. Die speziellen Eingangsschaltungen des LT6020 verhindern außerdem das Entstehen von Spannungseinbrüchen an den Multiplexer-Eingängen. (Bild: Linear Technology)
Bild 1. Blockschaltbild eines gemultiplexten Systems. Die als Puffer dienenden LT6011 an den Eingängen weisen eine hohe Eingangsimpedanz auf. Der auf den Multiplexer folgende LT6020 erreicht bei den Kanalwechseln des Multiplexers eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit. Die speziellen Eingangsschaltungen des LT6020 verhindern außerdem das Entstehen von Spannungseinbrüchen an den Multiplexer-Eingängen.
(Bild: Linear Technology)

Bild 1 zeigt eine Multiplexerschaltung, die vor dem Multiplexer einen eigenen Operationsverstärker für jeden Kanal enthält und nach dem Multiplexer einen Operationsverstärker für alle Kanäle besitzt. Es soll nun um die Leistungsfähigkeit des von allen Kanälen gemeinsam benutzten Downstream-Operationsverstärkers gehen.

Operationsverstärker mit geringer Leistungsaufnahme sind tendenziell langsam. Speziell die Anstiegsgeschwindigkeit von Operationsverstärkern wird meist stark von ihrer Stromaufnahme beeinflusst. Dies liegt daran, dass der zum Laden der internen Kondensatoren verfügbare Strom ein fester Prozentsatz des vom Operationsverstärker insgesamt aufgenommenen Stroms ist.

Artikelfiles und Artikellinks

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