20-Bit 1,8 MSPS ADC CM2431 vs. AD4020: Doppelte Gewährleistung von hoher Leistung und einfacher Bedienung

In High-End anwendung in Bereichen wie der industriellen Messtechnik, der Präzisionsinstrumentierung und medizinischen Geräten stellen Datenerfassungssysteme äußerst strenge Anforderungen an die Leistung. Hochpräzise SAR-ADCs spielen in diesen Systemen eine zentrale Rolle. Ein ADC, der nicht nur über herausragende Leistung und langfristige Zuverlässigkeit verfügt, sondern auch unter Berücksichtigung der Design-Erfahrung des Kunden benutzerfreundlich konzipiert ist, bietet eine deutlich höhere Gesamtwettbewerbsfähigkeit.

Der CM2431 ist ein 20-Bit-SAR-ADC mit einer Abtastfrequenz von bis zu 1,8 MSPS. Im Vergleich zum internationalen Konkurrenzmodell AD4020 bietet der CM2431 Benchmark-Niveau hinsichtlich Signal-Rausch-Verhältnis und Zuverlässigkeit über einen breiten Temperaturbereich sowie hervorragende Linearität mit einer integralen Nichtlinearität von nur ±1,5 ppm. Zusätzlich bietet er einen größeren dynamischen Bereich und einen effizienteren Stromverbrauch.

Im Gegensatz zu herkömmlichen SAR-ADCs integriert der CM2431 mehrere benutzerfreundliche Funktionen, die eine größere Designflexibilität ermöglichen, anwendungsspezifische Herausforderungen adressieren und dem Anwender helfen, eine höhere Systemleistung zu erzielen, während gleichzeitig die Designs vereinfacht sowie Kosten und Stromverbrauch reduziert werden.

1. Benutzerfreundliche Funktionen ermöglichen eine vereinfachte Auslegung

Der vorgeschaltete Eingangsverstärker vereinfacht die Systemintegration

Der CM2431 verwendet eine Pre-Input-Driver-Technologie, die Signal-Rückstöße reduziert, die durch die interne Schaltkapazitätsarchitektur zu Beginn der Abtastung verursacht werden. Dadurch wird der ADC deutlich einfacher zu treiben und das Systemdesign grundlegend vereinfacht. Abbildung 2 zeigt die Variation des analogen Eingangsstroms des CM2431 in Abhängigkeit von der differentiellen Eingangsspannung mit aktiviertem und deaktiviertem Pre-Charge-Eingangs-Treiber. Selbst bei deaktivierter Funktion zeichnet sich der CM2431 bereits durch einen niedrigen Eingangsstrom aus, wodurch er leichter zu treiben ist als herkömmliche SAR-ADCs. Bei Aktivierung wird der analoge Eingangsstrom auf unter ein Mikroampere reduziert, was eine hervorragende Treibeleistung ermöglicht. Für diese Technologie wurde ein Patentantrag für Erfindungsschutz gestellt.

Differenz des Eingangsstroms am Eingang simulieren

Mit aktiviertem Pre-Charge-Input-Treiber können Benutzer den ADC direkt über niederleistungsstarke, präzise Verstärker mit geringer Bandbreite in Kombination mit niedrigeren RC-Filter-Grenzfrequenzen ansteuern, ohne aufwendige, dedizierte Hochgeschwindigkeits-ADC-Treiber zu benötigen. Dies vereinfacht die Peripherieschaltung. In präzisen Anwendungen mit geringer Bandbreite reduziert dieser Ansatz den Systemstromverbrauch, die Baugröße und die Gesamtkosten erheblich.

Hauptvorteile umfassen:

1. Vereinfachte Frontend-Komplexität und deutlich geringere Leistungsanforderungen an externe Treiberschaltungen;

2. Geringere BOM-Kosten, reduzierter PCB-Platzbedarf sowie vereinfachte Bauteilauswahl und -konstruktion;

3. Geringerer Stromverbrauch und höhere Integration bei systemnahen Lösungen.

Darüber hinaus ermöglicht der Pre-Charge-Eingangs-Treiber die Auswahl des Front-End-Verstärkers und des RC-Filters basierend auf der gewünschten Signalbandbreite, statt durch die Einschwingzeit-Anforderungen von kapazitätsgekoppelten SAR-ADC-Eingängen eingeschränkt zu sein. Er verbessert auch die THD-Leistung und reduziert den analogen Eingangsstrom für Eingangssignale unterhalb von 100 kHz.

Klemmschutzschaltung vereinfacht Treiberdesign

Integrierte Überspannungs-Clamp-Dioden und ein Bereichskomprimierungsmodus reduzieren die Komplexität der Frontend-Treiberkonzeption weiter. Früher war zur Erzielung einer guten Fahrleistung oft eine zusätzliche negative Versorgungsspannung für ADC-Treiber erforderlich. Gleichzeitig überstieg häufig die positive Versorgungsschiene des Treiberverstärkers die Spannungsgrenzen des SAR-ADC, was zusätzliche Schutzschaltungen notwendig machte. Der CM2431 verfügt über einen Clamp-Schutz, der sich 0,4 V über VREF erstreckt, und sein Bereichskomprimierungsmodus eliminiert die Notwendigkeit einer negativen Versorgung, während der Eingangsbereich beibehalten wird. Diese Eigenschaften vereinfachen die Treiberkonzeption erheblich.

Zusätzlich waren digitale Schnittstellenkonzeption und Treiber-Debugging für hochauflösende, hohe Geschwindigkeit produkte erweitert die Zeit für die Datenübertragung der Wandlungsergebnisse, wodurch niedrigere SPI-Taktfrequenzen verwendet werden können. Turbo-Modus erweitert die Zeit für die Datenübertragung der Wandlungsergebnisse, wodurch niedrigere SPI-Taktfrequenzen verwendet werden können.

2. Hervorragender Dynamikbereich für präzise Erfassung schwacher Signale

Der CM2431 bietet einen hohen dynamischen Bereich von 102 dB, wodurch schwache Signalunterschiede fein aufgelöst werden können. In Anwendungen mit äußerst anspruchsvollen Anforderungen an die Datenerfassung—wie beispielsweise Signalverarbeitung, medizinische Bildgebung, wissenschaftliche Messtechnik und Kommunikation—bietet diese Fähigkeit einen deutlichen Vorteil. Ein höherer dynamischer Bereich bedeutet, dass die Signalintegrität selbst in komplexen Rauschumgebungen aufrechterhalten werden kann, wodurch eine zuverlässigere Datenbasis für das System bereitgestellt wird.

Gleichzeitig ermöglicht die Abtastfrequenz des CM2431 von bis zu 1,8 MSPS eine präzise Erfassung hochfrequenter Signale und unterstützt das Überabtasten. Seine hervorragende Linearität (typische INL innerhalb ±2 LSB) gewährleistet, dass das System nach Überabtastung eine äußerst hohe dynamische Reichweite erreichen kann. Beispielsweise kann sich die dynamische Reichweite bei 1024× Überabtastung auf etwa 131 dB erhöhen, wodurch das System in der Lage ist, extrem schwache und starke Signale gleichzeitig zu erfassen – was „keine Verzerrung schwacher Signale“ und „keine Sättigung von Signalen mit großer Amplitude“ ermöglicht. Diese Technik ist eine Kerntechnik in hochpräzisen Datenerfassungssystemen und wird häufig in Anwendungen mit äußerst strengen SNR-Anforderungen eingesetzt.

3. Hervorragende Energieeffizienz zur Verbesserung der Batterielebensdauer und thermischen Optimierung

Während er hohe Leistung beibehält, reduziert der CM2431 den Stromverbrauch um etwa 15 % im Vergleich zum konkurrierenden AD4020. Bei hochpräzisen, kontinuierlichen Erfassungssystemen sind die kumulierten Energieinsparungen erheblich und können direkt in längere Akkulaufzeit, reduzierten thermischen Designaufwand und verbesserte Gesamtsystemzuverlässigkeit umgesetzt werden.

Fazit

Zusammenfassend bietet der CM2431 mit seiner 20-Bit-Auflösung und einer Abtastrate von 1,8 MSPS hohe Leistung kombiniert mit Systemebenenvereinfachung durch die Pre-Charge-Input-Driver-Technologie, hervorragende Linearität, überlegene Dynamik und verbesserte Gesamtenergieeffizienz. Er stellt eine äußerst wettbewerbsfähige Lösung für hochpräzise Datenerfassungssysteme dar.

Mit einem vereinfachten Design und größerer Integrationskomfort hilft der CM2431 Anwendern, den Stromverbrauch und die Systemdesignkomplexität zu verringern, die Kanaldichte zu erhöhen und gleichzeitig eine hervorragende Gesamtsystemleistung beibehalten.