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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Pipeline A/D-Wandler ADS5240 Verständnisproblem Analoge Eingangsspannung


Autor: Pipeline A/D-Wandler ADS5240 Analoge Eingangssp??? (Gast)
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Hallo,

verwende für ein Projekt den 12-Bit Pipeline A/D-Wandler ADS5240 von TI.
Ich habe ein Problem mit dem Verständnis der analogen Eingangsspannung.
Der ADS5240 hat interne Spannungen REFt = 1,95V, REFb = 0,95V und einen
Buffer VCM = 1,45V. Im Datenblatt steht, dass der analoge 
Eingangsspannungsbereich zwischen -1V und 1V liegt. -1V entspricht dabei
0 und 1V 4096.

Kann ich egal mit welcher Spannung, VCM, REFt oder REFb an einen
der differentiellen Eingangspins gehen, und diese als Referenzspannung 
nutzen?

Sagen wir einfach mal ich würde mit VCM an IN- gehen.
Dann müsste ich ja normalerweise wenn
IN+ = 2,45V und IN-=1,45V ist ein delta von 1V haben und wenn
IN+ = 0,45V und IN-=1,45V ist ein delta von -1V haben. Somit wäre
ja der analoge Eingangsspannungsbereich von +/- 1V erfüllt!

Was aber haben damit die Spannungen REFt und REFb zu tun?

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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So wie ich das Datenblatt verstanden habe, sollten die 
Eingangsspannungen an INP und INN, absolut gesehen, im Bereich von +1V 
bis +2V liegen. Das wird untermauert durch die Angaben auf Seite 18, im 
Kapitel "INPUT OVER-VOLTAGE RECOVERY" mit dem folgenden Satz: "... The 
differential full-scale input peak-to-peak supported by the ADS5240 is 
2V. For a nominal value of VCM (1.5V), INP and INN can swing from 1V to 
2V. ...".

REFT und REFB sind die obere und untere Grenze der Referenzspannung und 
VCM stellt dann den virtuellen Referenzpunkt dar, wenn Wechselspannungen 
am Eingang gemessen werden sollen. Anders herum gesagt stellt VCM den 
(virtuellen) Bezugspunkt der Eingangsspannung dar und mit REFT und REFB 
die Bereichsgrenzen (aka Range).

Autor: Sebastian (Gast)
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Hi,

vielen Dank für deine Antwort. So wie ich das jetzt verstanden habe, 
muss
bei Verwendung des differentiellen Eingangs als Single Ended Input die 
Referenzspannung Vcm von 1,45V am Pin Vcm abgegriffen und auf den IN- 
Eingang jeden Kanals gelegt werden. An dem IN+ Eingängen müsste dann 
eigentlich eine Spannung von 0,45 bis 2,45V DC angelegt werden können, 
da die differentielle analoge Eingangsspannung einen Bereich von -1V bis 
1V hat. Bei -1V differentieller Eingangsspannung (siehe Datenblatt 
ADS5240) hat der A/D Wandler einen Wert von 0 und bei +1V einen Wert von 
4096. Das Problem ist,
dass bei einer differentiellen Eingangsspannung von -0,7 bis -1,0V auf 
jeden Kanal die Vcm Spannung zusammenbricht. Diese beträgt dann ca. 
1,2V, darf sich aber eigentlich nicht aus dem Bereich 
1,4<---1,45--->1,5V bewegen. Anders herum, wenn die differentielle 
Eingangsspannung auf jeden Kanal zwischen 0,7V und 1V beträgt, dann 
steigt die Vcm Spannung über den Wert 1,5V, aber nicht über 1,6V. Mache 
ich irgendwas verkehrt bei der Verwendung der differentiellen Eingänge 
als Single Ended Inputs? Was ich auch nicht so ganz verstehe ist, dass 
zwischen jedem differentiellen Eingang intern 2 600 Ohm Widerstände 
geschaltet sind. In der Mitte der beiden 600 Ohm Widerstände liegt bei 
Verwendung der internen Referenzspannungen die Spannung Vcm von 1,45V 
und wegen der Verwendung der differentiellen Eingänge als Single Ended 
Inputs habe ich am Vcm Pin die Vcm Spannung abgegriffen und auf jeden 
IN- Eingang der 4 Kanäle geschaltet. Bei einer differentiellen 
Eingangsspannung von -1V oder +1V hätte ich dann durch den 600 Ohm 
Widerstand einen Stromfluss von ca. 1,6mA. Das gerechnet mal 4, wegen 4 
Kanälen macht 6,4mA. Im Datenblatt steht jedoch etwas von einem Buffer 
Output Current von 2mA. Demnach wären 6,4mA mehr als das 3fache. Die 600 
Ohm Widerstände kann ich jedoch nicht vergrößern, da diese intern im 
A/D-Wandler liegen. Wenn das wirklich der Grund ist, wie soll man den 
A/D-Wandler dann jemals mit Gleichspannung am Eingang gebrauchen? Hat 
irgendjemand eine Idee? Ich wäre euch für eine Antwort sehr dankbar.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Ohohoh!
Was Du da machen willst klappt so beim besten Willen nicht!
Gaaaanz wichtig ist in diesem Zusammenhang das Kapitel "DRIVING THE 
ANALOG INPUTS" (Seite 17, rechte Spalte). Hier ist (eigentlich) alles 
relevante erläutert.
Die Eingänge sind nun mal differentiell und (am besten) auch als solche 
zu treiben.
IN- einfach an VCM zu schalten funktioniert beim ADS5240 definitiv nicht 
in der von Dir angedachten weise.
Den nötigen Hinweis hatte ich Dir schon in meinem letzten Post genannt - 
"... VCM stellt den (virtuellen) Bezugspunkt der Eingangsspannung dar 
...". Dieses Potential ist für die Eingangsspannung (auch 
gleichspannungsmäßig gesehen) der Bezugspunkt. Für den (hoffentlich 
unwahrscheinlichen) Fall, daß Du single-ended-Signale einspeisen mußt, 
solltest Du mit ein paar OpAmps einen 
single-ended-zu-differentiell-Konverter aufbauen, um das IN+ und IN- 
Signal aktiv zu treiben und (gaaanz wichtig) auf das VCM-Potential 
anzuheben. Ggf. ist eine DC-Entkopplung mit Kondensatoren notwendig, was 
Dir dann aber eine Messung von DC-Pegeln nicht mehr gestattet.
Was für Signale willst Du eigentlich messen, d.h. was ist die Quelle? 
Willst Du Dir selbst ein kleines digitales Oszi bauen?
Wenn es z.B. nur um AC-Signale geht, wäre eine Alternative z.B. die 
Verwendung eines kleinen Übertragers mit einer mittenangezapften 
Sekundärwicklung. Diese Mittenanzapfung ist dann mit VCM zu verbinden, 
die beiden Enden der Wicklung kommen dann an die jeweiligen Eingänge IN+ 
und IN- und voilá - schon hat man den differentiellen Eingang korrekt 
beschaltet. An die Primärwicklung kommt dann Dein Eingangssignal.

Autor: Sebastian (Gast)
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Hey,

erstmal vielen Dank für deine Antwort!!!
Die Quelle ist ein Transimpedanzverstärker, also ein einfacher 
Operationsverstärker eingangsseitig mit einem Stromsignal und 
ausgangsseitig mit einem Spannungssignal, welches zwischen ca. 0,5V und 
2,5V DC liegt. Dieses DC-Signal muss ich irgendwie an den 
differentiellen Eingängen einspeisen können, aber hab mir schon gedacht, 
dass es nicht so einfach geht. Du schlägst also vor, dieses single-ended 
Signal von 0,5V bis 2,5V differentiell auszuführen, so dass ich bei 
einem Signale zwischen 0,5 und 2,5V auch die dazu invertierten Signale 
-0,5V und 2,5V zur Verfügung habe. Bei einem Signal von 0,5V würdest du 
dann mit diesem also an IN+ gehen und mit dem invertierten, also -0,5V 
an IN-. Bei einem Signal von 2,5V mit +2,5V an IN+ und mit -2,5V an 
IN-.......usw.
Ich habe da schon einen Operationsverstärker gefunden, den THS4509 
(siehe Datenblatt THS4509 Figure 90 und 87). Damit könnte es doch 
funktionieren, oder? Danke für deine Antwort!

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Irgendwie bringst Du immer noch etwas durcheinander. Also versuche ich 
es mal anders herum aufzubauen:

Zunächst einmal der Input, der von Deinem Transimpedanzverstärker kommt, 
geht also von +0,5V bis +2,5V mit GND (oder 0V) als Referenz- bzw. 
Bezugspotential. So weit so gut.

Der ADS5240 mag an seinen Pins IN+ und IN- absolut gesehen (also gegen 
GND oder 0V) nur Spannungen zwischen +1V bis +2V 'sehen'. Differentiell, 
ergo zw. IN+ und IN-, ergibt sich somit eine Spannungsdifferenz von bis 
zu ±1V, jenachdem wer gegen wen positiver oder negativer ist, gelle?!

Lege ich nun virtuell in das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers 
eine gedachte Nulllinie symmetrisch hinein, so liegt diese (rein 
zufällig ebenfalls) auf +1,5V wie auch beim ADS5240 das VCM-Signal. Von 
da aus steuert das Signal aber um ±1V aus, wogegen der ADS5240 nur um 
±0,5V aussteuerbar ist.

Was also ist nun zu tun?

Ganz grob gesagt folgendes:
Die Amplitude des Ausgangssignals vom Transimpedanzverstärker ist durch 
zwei zu teilen und dann mit Referenz zu VCM (den typ. +1,5V laut 
Datenblatt) einmal nicht-invertiert auf IN+ und einmal invertiert 
auf IN- zu geben. Das ist eigentlich schon alles. :-)

Autor: Sebastian (Gast)
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Hi,

vielen Dank für deine Antwort. :O). Du hast mich wirklich ein ganzes 
Stück weiter gebracht!!! Wenn ich das also richtig verstanden habe, dann 
mag der A/D-Wandler, wie du schon gesagt hast an seinen analogen 
Eingängen nur Spannungen von +1V bis +2V haben. Dies hängt mit den 
internen Referenzspannungen Reft(top) = 2V und Refb(bottom) = 1V 
zusammen.
Im Datenblatt steht, dass der ADS5240 bei einer differentiellen 
Eingangsspannung von +1V dem Wert 4095 entspricht und eine 
differentielle Eingangsspannung von -1V dem Wert 0. Das analoge 
Eingangsspannungssignal muss also folgendermaßen aussehen:

IN+ 2,0V  1,9V  1,8V   1,7V   1,6V   1,5V   1,4V   1,3V   1,2V  1,1V 
1,0V
VCM 1,5V  1,5V  1,5V   1,5V   1,5V   1,5V   1,5V   1,5V   1,5V  1,5V 
1,5V
IN- 1,0V  1,1V  1,2V   1,3V   1,4V   1,5V   1,6V   1,7V   1,8V  1,9V 
2,0V

    +1V   0,8V  0,6V   0,4V   0,2V   0,0V  -0,2V  -0,4V  -0,6V  -0,8V 
-1V

    4096                             2048                              0

Demnach müssen die Spannungssignale IN+ und IN- genau um 180° gedreht 
sein. Am einfachsten ist dies mit einem Operationsverstärker mit 
differentiellen Ausgängen und Vcm Eingang zu realisieren, wobei einer 
der Ausgänge zum anderen invertiert ist.(bsp. THS4509 ). So wie ich das 
verstanden habe müsste das doch korrekt sein, oder? :O) Vielen Dank 
nochmal.

Autor: Sebastian (Gast)
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Sorry, Tabelle ist verrutscht...

IN+ 2,0V  1,9V  1,8V  1,7V  1,6V  1,5V  1,4V  1,3V  1,2V  1,1V  1,0V
VCM 1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V  1,5V
IN- 1,0V  1,1V  1,2V  1,3V  1,4V  1,5V  1,6V  1,7V  1,8V  1,9V  2,0V

    +1V   0,8V  0,6V  0,4V  0,2V  0,0V -0,2V -0,4V -0,6V -0,8V  -1V

    4096                          2048                           0

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Yip, der Kandidat hat 100 Punkte. ;-)

Und ja, der THS4509 könnte da ein ganz guter OpAmp für diesen Zweck 
sein. Er hat ja sogar einen CM-Eingang, um ihn an den VCM-Pin vom 
ADS5240 zu 'hängen'.

Eine Gefahr sehe ich allerdings: Der THS4509 hat eine beeindruckende 
Bandbreite von 1,9GHz und 'ne fantastische Slew Rate von 6600V/µs. Das 
ist alles vmtl. mehr als Du eigentlich benötigst und wenn Du da beim 
Layout nicht gaaaanz genau aufpasst, macht er Dir durch Schwingneigung 
mehr Ärger als Dir lieb ist. Vom Preis möchte ich jetzt noch gar nicht 
reden, denn der dürfte (wesentlich) höher sein, als der von den üblichen 
Feld-, Wald- und Wiesentypen. :-(
An Deiner Stelle würde ich versuchen einen weniger 'schnellen' zu 
finden. Nicht ohne Grund war damals (und auch heute noch) der 741'er so 
gutmütig, da sein Verstärkungsbandbreitenprodukt ja gerade einmal 1MHz 
betrug, damit war er relativ unkritisch was Leiterbahnlängen, deren 
Verlegung, sowie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten anbelangt.

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