3 Leistungsvergleich zwischen isolierten Verstärkern und isolierten Modulatoren

Tabelle 3-1 zeigt den grundlegenden Leistungsunterschied zwischen isolierten Verstärkern und isolierten Modulatoren.

In einem Design auf Basis eines isolierten Verstärkers wird das gemessene Analogsignal mehreren Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlungen unterzogen. Die Stufen innerhalb des isolierten Verstärkers, der differenziellen und unsymmetrischen Stufe und des ADC (extern oder intern) der MCU oder des DSP reduzieren die Gesamtgenauigkeit und das Rauschverhalten und erhöhen die Latenz. Die feste Tiefpassfilterimplementierung in der Ausgangsstufe des isolierten Verstärkers begrenzt die Signalbandbreite. Eine externe Operationsverstärker-basierte Schaltung für die Umwandlung von differenziellen in unsymmetrische Signale kann verwendet werden, um einen aktiven Tiefpassfilter zu erzeugen, der die Signalbandbreite weiter begrenzt und dadurch die Rauschleistung verbessert. Der isolierte Verstärker eine feste Latenz aus. Designs auf der Basis isolierter Verstärker werden aufgrund ihrer Vertrautheit in der Nutzung und der relativ einfachen Implementierung häufig verwendet.

Wie in Abbildung 2-1 gezeigt, wird das gemessene Analogsignal in einem isolierten Modulator-basierten Design nur einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen. Dieses Design macht eine differenzielle zu unsymmetrische Stufe überflüssig, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Designgröße reduziert werden. Der in einem Design mit isoliertem Verstärker verwendete A/D-Wandler, der in vielen Situationen die maximal erzielbare Abtastauflösung und Genauigkeit einschränkt, ist nicht mehr erforderlich. Dieser isolierte modulatorbasierte Ansatz bietet eine verbesserte Signalrauschleistung und Gesamtgenauigkeit und kann eine höhere Signalbandbreite und geringere Latenz erreichen als ein isoliertes verstärkerbasiertes Design. Isolierte Modulatoren bieten einen viel schnelleren digitalen Bitstream-Ausgang, typischerweise bis zu 20 MHz. Das Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM) in den Mikrocontroller-Familien (z. B. TMS320F2807x und TMS320F2837x) bietet eine einfache Möglichkeit, die Rauschleistung und Signalbandbreite oder Latenz zu optimieren. Wie in Tabelle 3-2 gezeigt, führt eine Implementierung mit höherem Oversampling-Verhältnis (OSR) zu einer besseren Genauigkeit und einer optimierten Abtastauflösung, aber gleichzeitig auch zu einer geringeren Signalbandbreite und einer höheren Latenz. Auf ähnliche Weise verringert die Minderung des OSR die Genauigkeit und die Abtastauflösung, erhöht aber die Bandbreite und führt zu einer geringeren Latenz. Ein ähnlicher DSP oder ein FPGA kann auch einen solchen Digitalfilter implementieren.

Darüber hinaus können, wie in Abbildung 3-1 gezeigt, mehrere digitale Filter parallel implementiert werden, um alles gleichzeitig zu erreichen: eine höhere Abtastauflösung, eine geringere Latenz und eine höhere Bandbreite. Einer der Digitalfilter kann einen hohen OSR-Digitalfilter für ein besseres Rauschverhalten implementieren, und ein anderer kann einen Digitalfilter mit kurzer Latenzzeit implementieren.

Abbildung 3-1 Implementierung von zwei Digitalfiltern parallel

Aufgrund der Systemvorteile, die ein isoliertes modulatorbasiertes Design bietet, ist ein Trend zu beobachten, bei Hochleistungssystemen auf isolierte modulatorbasierte Designs umzusteigen.