single-ended --> differentiell, rauscharm

[Simone Winkler]

Hallo!

Ich designe für meine Diplomarbeit u.a. einen Print mit einem
18bit-AD-Wandler. Davor soll ein Filter, dann ein Verstärker und noch ein
Filter kommen, also so:

IF-signal ----- BP ----- Amplifier ---- BP -------- ADC

Dabei ist die Eingangsstufe des ADCs differentiell, ich muß also die
single-ended Eingangsstufe umsetzen auf eine differentielle. Da ich es mit
einem 18-bit-Wandler zu tun habe, ist jedes zusätzliche Rauschen
unerwünscht, d.h. am liebsten würde ich das Signal gleich zu Beginn auf
single-ended umsetzen.

Allerdings frage ich mich, ob das so einfach möglich ist - denn dann würde
ich erst nach der Umsetzung filtern. Haben dann die Filter dieselben
Parameter wie in der single-ended-Version oder müssen sie neu ausgelegt
werden, und wenn ja, wie?

Die einfache Variante wäre ja, erst nach dem zweiten Bandpass zu filtern,
d.h. direkt vor dem ADC. Aber wahrscheinlich die "rauschendere".

Für die Umsetzungsstufe würde ich die im Datenblatt des Wandlers empfohlene
Schaltung verwenden
(http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/36669214970641AD7674_0.pdf
- figure 31).

Was ist noch zu beachten, damit ich mir kein zusätzliches Rauschen einfange?

Vielen Dank,
Simone

 

[Wolfgang Draxinger]

Simone Winkler wrote:

Hallo!

Ich designe für meine Diplomarbeit u.a. einen Print mit einem
18bit-AD-Wandler. Davor soll ein Filter, dann ein Verstärker und noch ein
Filter kommen, also so:

IF-signal ----- BP ----- Amplifier ---- BP -------- ADC

Dabei ist die Eingangsstufe des ADCs differentiell, ich muß also die
single-ended Eingangsstufe umsetzen auf eine differentielle. Da ich es mit
einem 18-bit-Wandler zu tun habe, ist jedes zusätzliche Rauschen
unerwünscht, d.h. am liebsten würde ich das Signal gleich zu Beginn auf
single-ended umsetzen.

Ähm, mal kurze Frage: Warum nicht einfach das Signal dirket an IN+ und an
IN- per Spannungsteiler auf U_Ref/2 festlegen? Den Rest kann man dann per
affiner Transformation in der Software machen.

Allerdings würde ich das Signal lieber differentiell verarbeiten und beide
Signalleitungen so nah wie möglich beisammen lassen. Störungen wirken sich
dann auf beide Leitungen gleichermassen aus, aber dadurch ändert sich nicht
die Differenz. Siehe auch: Twisted Pair Ethernet, USB, Firewire, ( evtl
SDSL, AFAIK wird da davon ausgegangen, dass die Telefonleitungen verdrillt
sind, was aber zumindest in unserem Haus nicht der Fall ist...)

Wolfgang

 

[Uwe Hercksen]

Simone Winkler schrieb:

Dabei ist die Eingangsstufe des ADCs differentiell, ich muß also die
single-ended Eingangsstufe umsetzen auf eine differentielle. Da ich es mit
einem 18-bit-Wandler zu tun habe, ist jedes zusätzliche Rauschen
unerwünscht, d.h. am liebsten würde ich das Signal gleich zu Beginn auf
single-ended umsetzen.

Hallo,

der differentielle Eingang des ADC wurde mit Absicht so entworfen, damit
sich Gleichtaktstörungen weniger auswirken. Du solltest besser auch
gleich eine differentielle Eingangsstufe dazu vorsehen.

Man kann zwar einfach einen differentiellen Eingang single-ended, also
massebezogen einsetzen, aber umgekehrt geht es nicht, einen
massebezogenen Eingang differentiell anschliessen.

Bye

 

[Stefan Heinzmann]

Simone Winkler schrieb:

Hallo!

Ich designe für meine Diplomarbeit u.a. einen Print mit einem
18bit-AD-Wandler. Davor soll ein Filter, dann ein Verstärker und noch ein
Filter kommen, also so:

IF-signal ----- BP ----- Amplifier ---- BP -------- ADC

Dabei ist die Eingangsstufe des ADCs differentiell, ich muß also die
single-ended Eingangsstufe umsetzen auf eine differentielle. Da ich es mit
einem 18-bit-Wandler zu tun habe, ist jedes zusätzliche Rauschen
unerwünscht, d.h. am liebsten würde ich das Signal gleich zu Beginn auf
single-ended umsetzen.

Du meintest auf differenziell umsetzen, nehme ich an.

Das Rauschen hat nicht unbedingt etwas mit single-ended <-->
differenziell zu tun. Die Störsicherheit schon eher. Der ADC hat
vermutlich differenzielle Eingänge, um bei gleich niedriger
Betriebsspannung 6dB mehr Signal-Rausch-Abstand herauszuholen. Das
Gesamtrauschen ist vermutlich in erster Linie von der Quellimpedanz und
den Widerständen im ersten Filter bestimmt, das heißt es spielt wenig
Rolle ob der Verstärker und das darauf folgende Filter differenziell
sind oder nicht. Nehme ich richtig an daß Deine Filter passiv sind?

Allerdings frage ich mich, ob das so einfach möglich ist - denn dann würde
ich erst nach der Umsetzung filtern. Haben dann die Filter dieselben
Parameter wie in der single-ended-Version oder müssen sie neu ausgelegt
werden, und wenn ja, wie?

Ein Filter im differenziellen Signal ist schon möglich, aber hat u.U.
einen größeren Bauteilaufwand, wenn Du beide Zweige getrennt filterst.
Du wirst gesehen haben daß im Datenblatt des Wandlers ohnehin ein
einfaches Tiefpaßfilter vor die Eingänge geschaltet ist.

Die einfache Variante wäre ja, erst nach dem zweiten Bandpass zu filtern,
d.h. direkt vor dem ADC. Aber wahrscheinlich die "rauschendere".

Kann ich ohne nähere Angaben zu Impedanzen, Pegeln, Frequenzen etc.
nicht sagen. Aber wie gesagt ich gehe davon aus daß Rauschprobleme am
ehesten am Verstärkereingang auftreten.

Für die Umsetzungsstufe würde ich die im Datenblatt des Wandlers empfohlene
Schaltung verwenden
(http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/36669214970641AD7674_0.pdf
- figure 31).

Was ist noch zu beachten, damit ich mir kein zusätzliches Rauschen einfange?

Es gibt zwei verschiedene Problemfelder zu beachten.

1. Rauschen im eigentlichen Sinn. Dazu mußt du die Quellimpedanz des
Eingangssignals, die Eingangsimpedanz des Verstärkers, die Bandbreiten
usw. kennen bzw. anpassen. Da Du scheinbar mit Bandpässen arbeitest,
schließe ich daß die Gleichstromeigenschaften des Verstärkers eine
geringe Rolle spielen. Das könnte Deinen Freiheitsgrad bei der Wahl
geeigneter Bauteile erhöhen.

2. Unempfindlichkeit gegenüber eingekoppelten Störsignalen. Da bietet
natürlich differenzielle Signalführung u.U. Vorteile. So oder so mußt Du
aber auf ausreichende Entkopplung, sauberes Layout der Schaltung und
gute Masseführung achten.

Es gibt übrigens inzwischen auch einige OpAmps mit differenziellem
Ausgang, speziell zum Ansteuern von ADCs.

--
Cheers
Stefan