Die beiden Primärschaltungen, die zur Maximierung der Leistung eines hochpräzisen SAR-ADCs (Successive Approximation Register) erforderlich sind, sind der Eingangstreiber- und die Referenztreiber-Schaltungen. Weitere Informationen zur Auswahl des Verstärkers finden Sie im Datenblatt zu ADS8354, Abschnitt 9.1.

THS4531A ist auf die Funktion in Kombination mit ADS8354 ausgelegt. Tatsächlich wird der Gleichtakt- oder DC-Pegel des Eingangssignals (2,5 V Nennspannung) direkt vom Referenzausgang von ADS8354 selbst an THS4531A geliefert, um mögliche Offset- und Drift-Fehler zu minimieren.

Der Vollausschlagsbereich des Differenzeingangs von ADS8354 wurde auf ± 2 × V_REF konfiguriert. Bei der Referenzspannung V_REF = 2,5 V ergibt sich ein Vollausschlagsbereich von ± 5 V. Die maximale differenzielle Eingangsspannung des Sin/Cos-Encoders beträgt 1,2 V_PP. Eine Spannung über 1,35 V_PP sollte weiterhin als Fehler erkannt werden. Die maximale Spitze-Spitze-Spannung enthält eine Sicherheitsmarge von 50 % und beträgt dementsprechend 1,8 V_PP. Um dem Vollausschlag-Eingangsbereich des ADC zu entsprechen, sollte der Verstärkungsfaktor von THS4531A 5,5 betragen. Um jedoch bei einer 5-V-Versorgung, die mindestens 0,25 bis 4,8 V beträgt, im linearen Ausgangsspannungsbereich von THS4531A zu bleiben, sollte der Verstärkungsfaktor um etwa 10 % reduziert werden, daher wäre der ideale Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 5.

Um Verstärkungsfehler und insbesondere den Drift zwischen den Kanälen so gering wie möglich zu halten, sind hochpräzise, abgestimmte Widerstände mit 0,1 % Genauigkeit und 2 ppm/K Temperaturdrift erforderlich. Um das Rauschen zu minimieren, sollten die Rückkopplungswiderstände im unteren kΩ-Bereich gewählt werden (siehe Sektion 1.4).

Ein präziser Abschlusswiderstandsteiler wird verwendet, um potenzielle Verstärkungsfehler so klein wie möglich zu halten. Einzelheiten finden Sie im MPMT10015001AT1-Datenblatt.

Aufgrund des Verstärkungsfaktors von 5 nutzt ein typisches V_PP-Eingangssignal von 1 V etwa 50 % des Vollausschlagsbereichs (FSR) des ADC, was zu einem Verlust von 1 Bit Genauigkeit führt und daher eine äquivalente 15-Bit-Auflösung ergibt. Die niedrigere Eingangsspannung von 0,6 V_PP nutzt etwa 25 % des Vollausschlagsbereichs, was typischerweise einer 14-Bit-Auflösung entspricht.

Abbildung 4-5 zeigt die Schaltpläne des hochpräzisen analogen Signalwegs; die Einstellwiderstände für die angepasste Verstärkung sind R18, R27, R30 und R37.

Die seriellen 10-Ω-Widerstände R21, R25 und der 2,2-nF-Kondensator C29 (R33, R36 und C39 für ADS8354-Kanal B) vom Anti-Aliasing-Filter. Der über die ADC-Eingänge verbundene Filterkondensator C29 (C39) filtert das Rauschen aus der Frontend-Antriebsschaltung, reduziert die Abtastladungsinjektion und stellt einen Charge Bucket zum schnellen Laden der internen Sample-and-Hold-Kondensatoren während des Erfassungsprozesses bereit. Als Faustregel gilt, dass der Wert dieses Kondensators mindestens 10-mal so hoch sein sollte wie der spezifizierte Wert der ADC-Abtastkapazität. Bei diesen Bausteinen beträgt die Eingangsabtastkapazität 40 pF. Bei dem Kondensator sollte es sich um einen COG- oder NPO-Kondensator handelt, da diese Kondensatortypen einen hohen Q-Wert und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten sowie stabile elektrische Eigenschaften bei unterschiedlichen Spannungen, Frequenzen und Zeiten aufweisen. Um Stabilitätsprobleme bei den Verstärkern zu vermeiden, werden am Ausgang der Verstärker die seriellen 10-Ω-Isolationswiderstände R21, R25 (R31, R39) verwendet. Einzelheiten finden Sie im Abschnitt 9.1 des ADS8354-Datenblatts.

Um die Auswirkungen eines Offset-Drift der ADC-Referenzen REFIO_A und REFIO_B zu minimieren, werden die ADC-Referenzen für eine Vorspannung der Gleichtakt-Ausgangsspannung von THS4531A verwendet. Zum Puffern und Entkoppeln des V_OCM-Signals an THS4531A werden an jedem Kontakt kleine RC-Filter mit R24/C32 und R35/C42, R28, R29, C36 und C37, hinzugefügt.

Die ADS8354 Referenzspannungen REFIO_A und REFIO_B werden mit einem 10-uF-Kondensator C36 bzw. C37 entkoppelt, und ein 0,22-Ω-Widerstand wird in Reihe geschaltet, um hochfrequente Schwingungen zu vermeiden.

Zur Optimierung des Layouts für das Übersprechen mit minimalem Einsatz von Durchkontaktierungen für die kritischen Signale A+, A– und B+, B– wurden die folgenden Verbindungen hergestellt.

1. Das Differenzeingangssignal A (A+, A–) ist am Eingang von THS4531A invertiert und in den ADS8354-Eingangskanal B eingespeist worden.
2. Das differenzielle Ausgangssignal von THS4531A, B+ und B–, wurde invertiert mit den ADS8354-Eingangspins AINP_A zu B– und AINM_A zu B+ verbunden

Daraus ergibt sich die folgende Hardware-Beziehung: Der ADS8354-Kanal B entspricht dem invertierten Sin/Cos-Encoder-Signal A; der ADS8354-Kanal A entspricht dem invertierten Sin/Cos-Encoder-Signal B.

Abbildung 4-5 Sin- und Cos-Signalkette mit Dual THS4531A und ADS8354

Für eine höhere Störfestigkeit bei reduzierter Bandbreite wird je nach gewünschter Bandbreite ein Kondensator von mindestens 10 pF (1 % oder besser) im Rückkopplungspfad parallel zu den 5 kΩ empfohlen. Siehe Sektion 4.5.

Die Konfiguration von ADS8354 Register über eine serielle Schnittstelle wird in Sektion 4.3 erklärt.