Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Opamp als Vref Buffer für ADCs mit großer Kapazität als Last?


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von MQ (Gast)


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Hallo Leute,

ich stehe vor einem Problem!
Ich muss fünf doppelte 16Bit ADCs auslesen (Typ: ADS8350) und habe eine 
(!) Referenz von 2,5V (REF3225). Soweit erst mal kein Problem.

Jeder einzelne ADC Kanal soll seinen Referenzeingang mit 10µF puffern. 
Und da gehen die Probleme los. In den Typ. Applikationen des ADCs werden 
die "REFs" jeweils per OP (OPA2350) gepuffert der die 10µF befeuert. Ich 
habe aber in meinem Fall echt wenig Platz. Die ADCs bekomme ich noch 
schön auf das Layout, aber die OPs passen nicht mehr gut drauf.

Gibt es OPs, die wirklich große kapazitive Lasten rauscharm und mit 
wenig Offset puffern können? Ich hätte in meinem Fall 5 ADCs zu je zwei 
Kanälen mit je 10µ => 100µF - oh graus.

Vielleicht eine unbeholfene Frage zu kapazitiven Treiben bei OPs: Viele 
OPs sind ja nicht dafür ausgelegt, dies zu können. Ich denke, und da mag 
ich falsch liegen, das bezieht sich auf dynamische Effekte, 
Ausregelzeiten und Treiberleistung? Ein Buffer einer Referenz ist aber 
eher etwas statisches. - Oder? Sprich ggf. mit passenden Vorwiderstand 
zwischen OP und Kondensator (der den Maximalstrom aus dem OP begrenz) 
wäre es möglich auch größere Kapazitäten zu treiben?

Ich benutze z.B. auf dem System auch MCP6V2 OPs, die nur sehr wenig 
Strom liefern können (max. 30mA) und nach Spec auch nicht 
Dauerkurzsschlussfest sind (anders als der OPA2350). Und ja, auch 
kapazitive Lasten kann er nicht gut treiben. - würde er sich aber 
trotzdem für den statischen Betrieb wie ich es mir hergeleitet habe 
taugen? Das würde meine BOM deutlich vereinfachen.

Ich weiß zwar nicht, ob es von Bedeutung ist (nenne es aber der 
Vollständigkeitshalber), aber alle 10 Kanäle werden Zeitsyncron von 
einem FPGA gesampelt und das mit min. 500kSPS bis an die 750kSPS grenze 
heran.

von Wolfgang (Gast)


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MQ schrieb:
> Vielleicht eine unbeholfene Frage zu kapazitiven Treiben bei OPs: Viele
> OPs sind ja nicht dafür ausgelegt, dies zu können. Ich denke, und da mag
> ich falsch liegen, das bezieht sich auf dynamische Effekte,
> Ausregelzeiten und Treiberleistung?

Das bezieht sich auf die Phasenreserve und damit auf das 
Schwingverhalten.

von Achim S. (Gast)


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MQ schrieb:
> Gibt es OPs, die wirklich große kapazitive Lasten rauscharm und mit
> wenig Offset puffern können? Ich hätte in meinem Fall 5 ADCs zu je zwei
> Kanälen mit je 10µ => 100µF - oh graus.

Du willst also mehrere Vref-Kondensatoren aus einem einzelnen OPV 
treiben?

Schau dir Fig. 21 im Datenblatt des OPAx350 an, der für die 
Vref-Pufferung vorgeschlagen wird: dort schaut es danach aus, als würde 
zwischen 100k*pF=100nF und 1uF keine Änderung mehr eintreten. Mit etwas 
Glück lässt sich das auf 100µF extrapolieren (in der Anwendung für den 
ADS8350 extrapolieren sie das ja auch schon auf 10µF ohne in schlechtes 
Gewissen zu haben.)

Aber: wenn du alle Vref aus einem einzelnen OPV treibst, koppelst du die 
verschiedenen ADCs miteinander. Wenn mehrere davon kurz zu ähnlichen 
Zeitpunkten samplen, sieht der eine die Noise des anderen auf Vref. Ob 
das wirklich eine gute Idee ist?

MQ schrieb:
> Ein Buffer einer Referenz ist aber
> eher etwas statisches. - Oder? Sprich ggf. mit passenden Vorwiderstand
> zwischen OP und Kondensator (der den Maximalstrom aus dem OP begrenz)
> wäre es möglich auch größere Kapazitäten zu treiben?

Mit Widerstand zwischen OPV und Kondensator kriegst du jeden OPV dazu, 
dass er kein Problem mit der Kapazität hast. Allerdings kannst du dir 
dann auch den OPV ganz sparen. Der ist nämlich dazu gut, dass der 
Kondensator niederohmig getrieben wird und schnell wieder auf den 
richtigen Wert einschwingt. Beides verhindert der Widerstand 
zuverlässig.

MQ schrieb:
> Ein Buffer einer Referenz ist aber
> eher etwas statisches. - Oder?

Nein. Zum einen weil der OPV auch bei einer Gleichspannung am Eingang 
trotzdem schwingen kann (wie von Wolfgang auch schon geschrieben).

Zum anderen weil der ADC jedesmal beim Samplen sehr dynamisch Ladung aus 
dem Vref-Eingang zieht (und evtl. nicht nur beim Samplen sondern bei 
jeder einzelnen Bit-Entscheidung. Das ist wie gesagt sehr dynamsich. Und 
genau darauf kommt es bei OPVs, die sich als ADC-Treiber eigenen sollen, 
an. Auch wenn sie nur eine Gleichspannung treiben sollen - die Dynamik 
kommt durch den Eingang des ADCs zustande, der getaktet Ladung aufnimmt.

MQ schrieb:
> Und ja, auch
> kapazitive Lasten kann er nicht gut treiben.

Dann ist er für diese Anwendung einfach völlig ungeeignet.

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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Im Datenblatt zum ADS1298R (TI) findet sich eine Beispielschaltung für 
eine externe Referenz.
Statt dem dort präferierten OA kannst Du auch irgendeinen anderen mit 
niedriger Rauschspannung nehmen (ich z.B. AD8605, gibt's auch doppelt 
als AD8605)

von Gustl B. (-gb-)


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Wie wäre es mit anderen ADCs die interne Referenzen mitbringen? Oder 
welchen die mehr Kanäle haben? Ich verwende den LTC2325 und bin recht 
zufrieden. Mit zwei Kanälen in kleinem Gehäuse gibt es den AD7380.

von georg (Gast)


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Wie weit sind denn die ADCs voneinander entfernt? Ich vermute dass man 
nicht für jeden extra 10µF benötigt, der Wert spricht eher dagegen, weil 
10µF üblicherweise keine HF-geeigneten Kondensatoren sind. Aber 
natürlich muss man das ausprobieren.

Georg

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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Nachtrag meinerseits:

Zuerst noch eine Frage: Welche Samplingrate verwendest Du und welche 
AD-Variante? 16 bit bei voller Samplingrate?

Lt. Datenblatt ist SINAD ca. 84dB, was 14 bit eff. Auflösung entspricht 
- bei 2,5V Referenzspannung also 152uV/LSB.

Wenn wir als Grenze für das Rauschen der Referenz das 
Quantisierungsrauschen nehmen, muß der Wert <152uV/sqrt(12)=44uV sein - 
keine große Sache. MAX6071 als Referenzquelle im 1m² BGA-Gehäuse ist da 
ganz ok.

Alternativ kannst Du auch je Doppel-ADC einen LT6654 verwenden. Dieses 
IC kann direkt 10uF als Last verkraften und ist genau genug.

Auf die Gefahr hin bekanntes Wissen zu wiederholen: Bei den 10uF bitte 
0603-Kondensatoren mit genügend hohem Spannungsrating verwenden, sonst 
schlägt der Kapazitätsverlust durchs Biasing zu.

von Lurchi (Gast)


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Wegen der hohen Geschwindigkeit wird man einen Kondensator je ADC schon 
benötigen, denn der Kondensator sollte auch schon dicht am ADC sein. Bei 
der Kapazität könnte man ggf. etwas sparen, wenn es sein muss, weil für 
den langsameren Teil dann ggf. die anderen Kondensatoren mit helfen 
könnte. Bei Synchroner Abtastung können sich die ADCs aber wohl 
gegenseitig beeinflussen.

Die beste Lösung wären wohl getrennte Treiber je ADC - ggf. noch OPs 
oder speziellen Treibern im kleinen Gehäuse suchen.

von No Y. (noy)


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Von TI gibt es "kleine" OP mit "unlimited C-Load" aber was "unlimited" 
wirklich heißt keine Ahnung.

von ADCler (Gast)


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Hi,
ich stehe gerade vor einem ähnlichen Problem.
Ich habe 8 ADCs mit 18Bit, die zeitgleich von einem FPGA gesampelt 
werden müssen. Auch in meinem Fall benötigen diese eine große gepufferte 
Kapazität an der Referenz.

Versuche mit einer Referenz und einen Buffer für jeden ADC der den 
Kondensator lädt war nur semierfolgreich - eigentlich braucht es einen 
Buffer der locker 100µF treiben kann und extrem offset- und rauscharm 
ist um alle ADCs zu speisen.
Aber irgendwie recherchiere ich mich zu tode.

Gibt es dafür einen gute Lösung?

von Lurchi (Gast)


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No Y. schrieb:
> Von TI gibt es "kleine" OP mit "unlimited C-Load" aber was
> "unlimited"
> wirklich heißt keine Ahnung.

Die unlimited C-load heißt nur, dass der OP als Spannungsfolger oder in 
ähnlicher Schaltung mit viel Kapazität am Ausgang noch nicht anfängt zu 
schwingen. Der Unteschied zu den normalen OPs ist aber nicht so groß:
die "normalen" OPs fangen gerade so an zu schwingen ab vielleicht 1 nF. 
Die C_load stabilen schwingen damit gerade so noch nicht - es gibt aber 
bereits deutliche Überschinger / Ringing. Der unterschied in der 
Phasenreserve ist aber eher klein: vielleicht 10 Grad die dem klassichen 
OP fehlen und noch 10 Grad die der C-stabile vielleicht noch hat.

D.h. die C-load stabilen OPs an sich sind noch kleine wirkliche Lösung.

Für das Treiben einer kapazitiven Last (bekannter Größe) hat man sonst 
eine Trennung per Widerstand am OP Ausgang und dann getrenntes DC and HF 
feedback, vom Lastkondensator bzw. direkt vom OP Ausgang. Bei mehr ADCs 
würde ich zu getrennten Kondensatoren und Treibern tendieren, schon 
damit der Kondensator dicht am ADC sein kann. Es bleibt aber das Problem 
mit der Masseverbindung.

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