Sensoren und Lasten außerhalb von Leiterplatten anregen

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Differenzielles Rauschen wird zum Problem

Die zweite und wesentlich problematischere Rauschart ist das differenzielle Rauschen, das zwischen Anregung und System-Masse eingekoppelt wird. Das differenzielle Rauschen wird wegen Stromschleifen zwischen System-Masse und den Signalkabeln, die sich wie Antennen verhalten, in das Signal eingekoppelt.

In einigen Anwendungen, zum Beispiel chemische Analysen, befindet sich der Sensor aus Schutzgründen manchmal in einer Kammer, getrennt vom Controller. Ein solcher Aufbau erzeugt Stromschleifen von mehreren zehn oder hundert Metern. Somit kann jeder magnetische Fluss Stromrauschen in das Signal einkoppeln und Daten beschädigen.

Um den Beitrag des differenziellen Rauschens zu minimieren, wird der Einsatz von Ferriten empfohlen. Diese filtern hochfrequente abgestrahlte Signale. Ebenfalls empfohlen werden Stern-Verbindungen zwischen Controller und Sensoren sowie abgeschirmte Verbindungskabel.

In beiden Fällen, falls das Rauschen groß genug ist, könnte sogar das Gerät infolge elektrischer Überbelastung beschädigt werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Last ein Motor oder eine Leuchtstofflampe ist. Solche Verbraucher sind starke Störquellen. Erstens wegen ihrer elektromagnetischen Bauteile und zweitens wegen der Eigenschaften des erzeugten Signals. Es ist stets ratsam, Rauschunterdrücker wie ESD-Schutz zu verwenden, um ein bestimmtes Maß an System-Robustheit zu garantieren.

Die Hauptauswirkung bei der Implementierung einiger der oben beschriebenen Methoden ist die Kapazität in Verbindung mit den Komponenten. Sogar Kabel bestehen aus parasitären Kapazitäten und sind somit nicht vernachlässigbar. Die parasitäre Kapazität ist proportional zur Länge sowie dem Typ und der Kategorie des Kabels (Tabelle 1).

Integrierte Pufferspannungs-D/A-Wandler wie die Modelle AD5683R oder AD5686R bieten hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten und große Bandbreiten bei reduzierter Leistungsaufnahme. Aus einigen Gründen wird dies zu einem wesentlichen Problem.

Dazu zählen zum Beispiel eine gesenkte Leiterplattentemperatur, ein Anstieg der Bauteilanzahl pro Leiterplatte (ohne Zunahme der Leistungsaufnahme) und verbesserte Energieeffizienz.

Als ein Ergebnis ist die interne Verstärkerimpedanz Z_o (Impedanz bei offenem Regelkreis) groß (nicht zu verwechseln mit Z_out, der Impedanz bei geschlossenem Regelkreis) und begrenzt die maximale Last-Kapazität.

Übersteigt die an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossene Kapazität den maximal erlaubten Wert, wird die Stabilität des des Verstärkers beeinträchtigt. Als Folge könnte der Operationsverstärker oszillieren oder Klingeltöne produzieren.

Es gibt einige Methoden, die Instabilität des Operationsverstärkers mit Pufferspannungs-D/A-Wandlern zu minimieren: Dabei handelt es sich um die Shunt-Methode und eine Netzwerk-Kompensation durch eine externe Last, die Snubber-Methode.

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