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Analogtechnik

Sensoren und Lasten außerhalb von Leiterplatten anregen

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Anbieter zum Thema

ROHM Semiconductor GmbH
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
Analog Devices

Die Shunt-Methode und die Snubber-Methode

Für die Shunt-Methode sind nur wenige externe Bauteile erforderlich. Die Idee hinter dieser Methode ist relativ einfach. Der Operationsverstärker wird von der Last isoliert, indem man einen diskreten Widerstand dazwischen schaltet. Der Widerstand RSHUNT fügt eine Nullstelle in die Übertragungsfunktion des Rückkopplungsnetzwerks ein. Dies macht die geschlossene Regelschleife stabil bei hohen Frequenzen.

Die Nullstelle sollte mindestens eine Dekade unter dem GBP (Verstärkungs/Bandbreiten-Produkt) gewählt werden. Das Problem in diesem Fall ist, dass die DAC-Spezifikationen diese Zahl nicht beinhalten, weil sie wegen des Einsatzes des internen Operationsverstärkers als Puffer nicht relevant ist.

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In diesem Fall empfiehlt eine Faustregel, einen möglichst niedrigen Wert zu wählen, um den Beitrag des Widerstands zu minimieren. Werte von 5 bis 50 ? sind gängig.

Bei dieser Methode fällt eine Lastspannung ab, da ein Widerstands-Spannungsteiler implementiert ist, die die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und die Einschwingzeit beeinträchtigt. Daraus folgend werden die DAC-Spezifikationen von der Last- oder Sensorseite beeinträchtigt.

Indem man den Wert für RSHUNT erhöht, steigt das Dämpfungsverhältnis ζ. Damit ist die Methode zum Treiben von Motoren geeignet. Sie wird jedoch nicht empfohlen, wenn die Last klein und die Spannung niedrig ist – wie zum Beispiel bei der Anregung einer Wheatstone-Brücke. Denn der Amplitudenabfall könnte beachtlich sein. Indem man den Spannungsbereich zum Beispiel mit einer Versorgung von 5 V und einer Impedanz von 1 k? reduziert, beträgt der Spannungsabfall etwa 2,5% (Bild 2).

Die Snubber-Methode (oder RC-Shunt) reduziert den Lastspannungsbereich nicht. Somit wird sie bevorzugt für Low-Voltage-Anwendungen verwendet. Die Idee hinter dieser Methode ist etwas anders. Das Snubber-Netzwerk verringert die Impedanz der Last in der Nähe der Oszillationsfrequenz. Dadurch wird der Realteil der Last niedriger als der Imaginärteil und infolgedessen die Phasenänderung.

Die Auswahl der richtigen Bauelemente

Die Auswahl der Bauteilewerte muss empirisch bestimmt werden, indem man den Transientenverlauf des an die Last angeschlossenen D/A-Wandlers analysiert. Viele Berechnungen basieren auf der Annahme, dass das Puffer-GBP unter 1 MHz liegt. In diesem Fall, unter der Annahme einer parasitären Kabelkapazität von 47 nF, ergibt sich ZKabel = 1 / 2π e6 47 e–9 = 0,3 ?.

Der ideale Widerstandswert sollte unter 1 ? liegen. Je niedriger der Wert für RSnubber ist, desto geringer ist das Überschwingen. Aus praktischer Sicht wählt man jedoch RSnubber = 10 ?. Die Snubber-Polstelle muss 1/3 über der Oszillationsfrequenz liegen:

CSnubber = 3 / 20 π e6 = 47 nF.

Die Snubber- und Shunt-Methoden sind zur Kompensation oder Isolation einer kapazitiven Last äußerst nützlich und stabilisieren den D/A-Wandler, wenn Last oder Sensor entfernt angeregt werden. Die Beispiele basieren auf dem D/A-Wandler AD5683R. Aufgrund seines kleinen Gehäuses und seiner Leistungsfähigkeit (2 LSB INL bei 16 Bit, 35-mA-Treiberfähigkeit, integrierte Referenz, 4 kV ESD) eignet sich derChip gut zum Anregen von Lasten oder Sensoren außerhalb von Leiterplatten.

* Miguel Usach Merino arbeitet als Applikationsingenieur in der Precision Converter Group von Analog Devices in Valencia / Spanien.

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