Referenzspannungsquellen für ADCs


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Einleitung
erforderliche Genauigkeit
Temperaturdrift
Z-Dioden
Referenzsspannungsquellen-ICs


Einleitung

Wer einen Analog-Digital-Wandler (z.B. den ADC eines PIC) einsetzen will, muss sich Gedanken um die Genauigkeit der verwendeten Referenzspannung machen. Der ADC vergleicht die zu messende Eingangsspannung immer mit der Referenzspannung, und gibt als Messergebnis eine Zahl aus, die proportional dem Verhältnis beider Spannungen ist. Die vom ADC ausgegebene Zahl ändert sich also nicht nur, wenn sich die Eingangsspannung ändert, sondern leider auch, wenn sich die Referenzspannung ändert. Wer mit hoher Genauigkeit messen will, der muss also für eine stabile Referenzspannung sorgen.

Ich beziehe mich bei den nachfolgenden Ausführungen auf die 10-Bit-ADC moderner PIC-Microcontroller wie z.B. der PIC16F87x oder PIC12F675.
Eine obere Referenzspannung (Vref+) für PIC-ADCs sollte zwischen 2,5 V und 5,3 V liegen (bei Vdd = 5 V) und mit 1 mA belastbar sein. Ideal wäre z.B 2,56 V oder 5,12 V, da sich dann ADC-Auflösungen von genau 2,5 mV bzw. 5 mV einstellen.
Die untere Referenzspannung (Vref-) ist in den meisten Anwendungen 0V = Vss.

Ich favorisiere den LM336-2.5 als preisgünstige, stabile 2,56V-Spannungsquelle.

Wer eine hochgenaue Referenzspannungsquelle sucht, mit der sich z.B. Voltmeter kalibrieren lassen, findet hier eine mögliche Lösung

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erforderliche Genauigkeit

Der ADC hat drei Arten von Eingängen für analoge Spannungen Die zu messende Eingangsspannung wird dem ADC über einen analog-Umschalter zugeführt, und kann je nach PIC-Typ aus bis zu 8 Spannungen ausgewählt werden, die an unterschiedlichen Pins anliegen.
Die obere Referenzspannung ist entweder die Betriebsspannung Vdd des PIC oder eine an ein bestimmtes Pin angelegte externe Referenzspannung. Sie begrenzt die maximal zu messende Eingangsspannung.
Die negative Referenzspannung ist entweder die Masse des PIC (Vss) oder eine an ein bestimmtes Pin angelegte externe Referenzspannung. Sie stellt für den ADC den Nullpunkt dar, deshalb ist die oft mit Vss/Masse/0V verbunden.

Der ADC des PIC teilt den Spannungsbereich zwischen der Vref- und Vref+ in 1024 Stufen ein (10 Bit). Die unterste Stufe ist die Spannung Vref- und entspricht dem Zahlenwert 0. Die oberste Stufe ist die Spannung Vref+ und entspricht dem Zahlenwert 1023. Die Größe einer Stufe ist also

Auflösung = (Vref+ - Vref-) / 1023

Dieser Spannungswert ist die Auflösung des ADC. Ändert sich die Eingangsspannung um diesen Wert, dann ändert sich die vom ADC erzeugte Zahl um den Wert 1. Spannungen oberhalb Vref+ oder unterhalb Vref- können vom ADC nicht umgesetzt werden. Werden als Referenzspannungen Vss (0V) und Vdd (+5V) verwendet, beträgt die Auflösung des ADC etwa 5 mV (4,883mV).

Die Messgenauigkeit des ADC entspricht also etwa 0,1% des Maximalwertes. Ändert sich eine Referenzspannung um mehr als 0,1% dann ändert sich auch der vom ADC ausgegebene Zahlenwert. Folglich müssen die Referenzspannungen des ADC auf mindestens 0,05% genau stabilisiert werden. (1/2 Stufe)

In der Messtechnik werden Fehler oft nicht in % sondern in ppm (parts per million = Millionstel) angegeben. Dabei gilt

1 ppm = 0,0001%

Folglich müssen die Referenzspannungen auf 500 ppm stabilisiert werden. Soll die Genauigkeit des ADC nicht voll ausgenutzt werden verringern sich die Ansprüche an die Genauigkeit der Referenzspannung. Nachfolgende Tabelle listet die nötigen Genauigkeiten der Stabilisierung auf. Exemplarisch ist auch die nötige Stabilisierung für eine 5V-Referenzsspannung angegeben.
 
Auflösung 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Bit 10 Bit
Stabilisierung
in ppm
8000 ppm 4000 ppm 2000 ppm 1000 ppm 500 ppm
Stabilisierung
in %
0,8 % 0,4 % 0,2 % 0,1 % 0,05 %
Stabilisierung
in mV 
(für Vref = 5V)
40 mV 20 mV 10 mV 5 mV 2,5 mV

Die für die Stabilisierung der Stromversorgung häufig eingesetzten Schaltkreise LM317 oder L7805 garantieren eine Stabilität der Ausgangsspannung von etwa 25 mV (bei extremen Eingangsspannungsschwankungen oder Lastschwankungen). Deshalb lässt sich für eine Auflösung von 6 oder 7 Bit (und mit Augenzudrücken auch für 8 Bit) die stabilisierte Betriebsspannung des PIC als Referenzspannung verwenden. Für höhere Genauigkeiten ist aber die Erzeugung einer speziell stabilisierten Referenzspannung dringend erforderlich.

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Temperaturdrift

Das Hauptproblem bei der Erzeugung einer stabilen Referenzspannung ist die Temperaturdrift der Bauelemente. Soll eine Schaltung nur bei einer bestimmten Temperatur präzise arbeiten existiert dieses Problem nicht, aber in der Praxis hat man immer mit Temperaturschwankungen von mindestens 10 K (Innenraum), 50 K (Außenanwendungen) oder auch 100 K (spezielle Anwendungen) zu tun. (1 K ist die Temperaturänderung um 1 Grad).

Die Temperaturabhängigkeit eines Bauelements wird mit dem Temperaturkoeffizient (TK)  angegeben, der die Drift pro 1 Grad angibt. Üblich ist die Einheit ppm/K. Ein Metallschichtwiderstand hat oft einen TK von 100 ppm/K. Er ändert also seinen Wert um 0,01% (100 ppm) bei einer Temperaturänderung von 1K. Gute Präzisionswiderstände driften nur um 25 ppm/K.

Wenn die Bauelemente einer Referenzspannungsquelle eine Temperaturdrift haben, so hat auch die erzeugte Referenzspannung eine Temperaturdrift. Nachfolgende Tabelle zeigt wie groß diese Drift maximal sein darf:
 
max. Temperaturschwankung [K]
max. TK für 6 Bit [ppm/K]
max. TK für 8 Bit [ppm/K]
max. TK für 10 Bit [ppm/K]
10 K
780
190
50
50 K
160
40
10
100 K
80
19
5

Das sind ziemlich harte Forderungen.

Der Brot-und-Butter-Spannungsregler L7805 hat immerhin einen TK von etwa 100 ppm/K. Außerdem erwärmt er sich durch seine eigene Verlustleistung deutlich und driftet dadurch relativ stark. Nötig sind Bauelemente mit kleinem TK und minimaler Eigenerwärmung. Das können z.B. Z-Dioden oder spezielle Referenzspannungsquellen-Schaltkreise sein

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Z-Dioden

Das am häufigsten eingesetzte Bauelement zur Spannungsstabilisierung ist die Z-Diode. Wird eine Z-Diode in 'Sperrrichtung' (was für Z-Dioden die normale Arbeitspolung ist) betrieben, so fällt über ihr eine Spannung ab, die sehr stabil ist. Dabei sperrt die Z-Diode natürlich nicht wirklich.

Z-Spannung
Diese Z-Spannung hängt von der Z-Diode ab. Es gibt Z-Dioden für viele verschiedene Spannungen am Markt. Ebenso wie Widerstände haben Z-Dioden Toleranzen. Eine 5,1-V-Z-Diode mit 5% Toleranz kann durchaus 5,3 V liefern. Diese Z-Spannung schwankt dann aber nicht mehr um 5% sondern ist die persönliche Z-Spannung dieser individuelle Diode.

Z-Strom
Der Hersteller gibt die Parameter der Z-Diode für einen bestimmten Strom an, der durch die Diode fließen muss. Dieser Z-Strom ist in der Regel 5 mA. Normalerweise wird die Z-Diode über einen Vorwiderstand aus einer Spannungsquelle versorgt. Der Widerstand ist so zu bemessen, dass durch die Z-Diode dieser Z-Strom fließt.

Z-Widerstand
Ändert sich der Strom durch die Diode, dann ändert sich auch die Z-Spannung etwas. Wie stark sich die Spannung dabei ändert, hängt vom Z-Widerstand der Z-Diode ab. Die Größe des Z-Widerstandes hängt vom Dioden-Typ ab. Normalerweise haben Z-Dioden mit Z-Spannungen von 6V ... 9V kleine Z-Widerstände von weniger als 10 Ohm. Die genauen Werte sind dem Datenblatt der Diode zu entnehmen.
Eine Änderung des Z-Stromes kann z.B durch eine kleine Änderung der Speisespannung der Z-Diode passieren.
Hat eine 5V-Z-Diode z.B. einen Z-Widerstand von 10 Ohm, und ändert sich ihr Z-Strom von 5mA auf  5,15mA (also um 3%), dann steigt die Z-Spannung um

10 Ohm * 0,15 mA = 1,5 mV

Die Z-Spannung steigt also von 5 V auf  5,0015 V. Das scheint wenig zu sein, es sind aber beachtliche 0,03% oder 300 ppm Spannungsänderung. Die Stabilität ist für einen 10-Bit-ADC gerade noch ausreichend. Größere Stromschwankungen oder ein größerer Z-Widerstand würden die Z-Diode als Referenzspannungsquelle disqualifizieren. Der Z-Strom muss also stabilisiert werden. Das erreicht man durch den Einsatz einer Konstantstromquelle, oder durch die Speisung des Z-Diode aus der stabilisierten Referenzspannung selbst (siehe weiter unten). Im letzteren Fall ist ein OPV erforderlich, der aus einer kleinen Z-Spannung eine größere Referenzspannung erzeugt.

Die Stromaufnahme eines ADC im PIC schwankt zwischen 10 µA und 1 mA. Diese Schwankung darf sich nicht auf die Z-Spannung und also auch nicht auf den Z-Strom auswirken. Aus diesem Grunde ist ohnehin eine Entkopplung der Z-Diode vom ADC mit einem OPV empfehlenswert.

Temperaturkoeffizient der Z-Diode
Die Z-Spannung ist auch temperaturabhängig. Typische allgebrauchs-Z-Dioden haben einen TK von 0,05 %/K = 500 ppm/K. Damit sind sie für genaue ADCs unbrauchbar. Spezielle Z-Dioden erreichen aber Werte unter 10 ppm/K. Nur solche Typen sind für unsere Zwecke brauchbar. Die mir bekannten temperaturstabilisierten Z-Dioden haben alle eine Z-Spannung von 6,2V. Handelsüblich ist z.B.die 1N825A (Conrad ca. 2 €) mit einer Z-Spannung von 6,2V bei 7,5 mA und einem TK von erträglichen 20 ppm/K.
Für diesen Preis bekommt man aber auch schon einen LM336. Dieser Schaltkreis erzeugt eine vergleichbar stabile Referenzspannung, und liefert einen hohen Strom, der einen OPV als Verstärker überflüssig macht.
 
Nebenstehende Schaltung zeigt eine einfache aber nicht praxistaugliche Z-Dioden-Schaltung. Die Schaltung hat folgende 2 Problemzonen:
  1. Die 10V-Speisespannung ist nicht hochstabil. Falls sie um 1% schwankt, dann ändert sich der Z-Strom um fast 3% und die Z-Spannung ändert sich dann um 2,25 mV - also um 0,03% oder 360 ppm. Das ist zu viel.

  2.  
  3. Der Ausgang ist sehr hochohmig, und kann höchstens mit ein paar Mikroampere belastet werden. Das genügt nicht, um den ADC zu versorgen.
Z-Dioden-Grundschaltung
Referenzspannungsquelle mit hoher Stabilität und
                kleinem TK Diese Schaltung hat mit den beiden Problemen der obigen Schaltung aufgeräumt.
  1. Die Z-Diode wird aus einer hochstabilen 10-V-Quelle versorgt.

  2.  
  3. Durch den OPV (ein Typ mit geringer Nullpunktdrift ist einzusetzen) ist der Ausgang höher belastbar. Trotzdem wäre ein 2. OPV der die 10V in eine kleinere Referenzspannung wandelt die bessere Lösung, da das Potentiometer die Ausgangsimpedanz der Referenzspannungsschaltung unnötig erhöht.
Da die einzig verfügbaren temperaturstabilisierten Z-Dioden eine Z-Spannung von 6,2V haben, gibt es keine Möglichkeit, die Referenzspannungsquelle mit der PIC-Betriebsspannung von 5V zu speisen.
(In der nebenstehenden Schaltung ist der 2,2k-Widerstand am OPV-Ausgang zu überbrücken!)

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Referenzspannungsquellen-ICs

Der Einsatz von Z-Dioden zur Referenzsspannungserzeugung ist offensichtlich nicht völlig problemlos. Die Industrie bietet alternativ spezielle Referenzsspannungsquellen an.
Ursprünglich handelte es sich dabei um chemische Elemente (also eigentlich um eine Art Batterie wie sie zur Stromversorgung verwendet wird). Bei kleinem Laststrom liefern solche Elemente 1,235 V mit höchster Genauigkeit. Für Bastler sind solche chemischen Referenzelemente zu teuer und zu unpraktisch.
Heute übernehmen spezielle Schaltkreise oft die Rolle der Referenzspannungsquelle.
 
AD589, B589, ICL8069
Es gibt spezielle Schaltkreise, die die Funktion dieser Referenzelemente nachbilden. Aus DDR-Zeiten habe ich noch Schaltkreise des Typs B589, die früher billig zu haben waren. Der internationale Vergleichstyp dazu ist der AD589 von Analog Devices, der z.B. bei Reichelt angeboten wird. Funktionsgleich ist der ICL8069 von Maxim/Intersil (Conrad BestNr.17 43 35-xx ca. 2 €).

Beim AD589 handelt es sich um eine temperaturkompensierte Zweipol-Bandgap-Referenzsspannungsquelle, die eine typische 1,235-V-Spannung für Eingangsströme zwischen 50µA und 5mA erzeugt. Der Schaltkreis hat 2 Anschlüsse, und benimmt sich wie eine 1,235-V-Z-Diode. Der normale Z-Strom des AD589 beträgt 0,5 mA.

Die Ausgangsspannung des AD589 streut exemplarabhängig ein wenig um 1,235 V herum, liegt aber immer zwischen 1,2 V und 1,25 V. Ändert man den Z-Strom von 50 µA auf  5 mA, so kann sich die Ausgangsspannung maximal um 5 mV ändern das entspricht rechnerisch einem Z-Widerstand von sehr guten 1 Ohm.

Der Temperaturkoeffizient der Schaltkreise wird ausgemessen, und die besseren Typen zu höheren Preisen verkauft. Die bei Reichelt erhältlichen Typen haben einen TK von maximal 50 ppm/K.
Vom funktionsgleichen (aber bei Conrad deutlich billigeren) ICL8069 gibt es Typen von 10 bis 100 ppm/K. Leider gibt Conrad nicht den genauen Typ an, also erwarten wir auch hier ca. 50 ppm/K. Das ist nicht umwerfend gut, aber für viele Zwecke ausreichend. Da die 1,235 V für den ADC der PICs zu gering sind, ist auf jeden Fall eine Nachverstärkung mit einem OPV erforderlich.

Nebenstehende Schaltung liefert 2,56 V als Referenzspannung für einen 10-Bit-ADC. Der OPV kann aus Vdd und Vss der PIC gespeist werden. Neben dem TK des AD589 entscheidet auch die Temperaturstabilität des 4,7 kOhm und 5,1 kOhm Widerstandes über die Temperaturstabilität der Referenzspannung.

2,56-V-Referenzspannungsquelle mit
              AD589
LM336 (LM136-Serie)
Beim LM336 handelt es sich um eine Präzisionsspannungsquelle, die sich über einen Korrektureingang  genau auf ihre Z-Spannung einstellen lässt. Verfügbar sind ein Typ für 2,49V und ein Typ für 5V (Conrad jeweils ca. 1,71 €). Der günstige Preis verbunden mit einem sehr kleinen TK (von typisch nur 7 ppm/K) machen aus dem LM336 einen attraktiven Kandidaten für eine Referenzspannungsquelle.
Mit Hilfe eines externen 10-kOhm-Potentiometers lässt sich die Z-Spannung beim 2,49V-Typ im Bereich von 2,3 V..2,6 V einstellen, beim 5V Typ ist der Regelbereich mit 4 V ... 6 V deutlich größer. Der 5-V-Typ hat den Nachteil, dass er eine Speisespannung von deutlich mehr als 5V benötigt. Das kompliziert die Stromversorgung einer PIC-Schaltung. Der 2,49V-Typ lässt sich aus 5V speisen, und auf 2,56V einregeln. Das ergibt eine einfache Stromversorgung und eine ADC-Auflösung von exakt 2,5 mV.

Um die Temperaturdrift bei großen Temperaturschwankungen zu minimieren, können in die Abgleichschaltung einige Silizium-Dioden eingefügt werden (in nebenstehendem Stromlaufplan grün eingezeichnet). Das verringert den TK, allerdings ist der Spannungsjustierbereich dadurch verringert (2,42 V ... 2,56 V bzw. 4,5 V ... 5,5 V). Mit etwas Pech sind die 2,56V dann nicht mehr einstellbar. Die Dioden müssen dicht beim LM336 liegen, damit sie die selbe Temperatur haben.

2,56-V-Referenzspannungsquelle mit
              LM336-2.5
TL431, LT1431
Diese Schaltkreise sind einstellbare Z-Dioden mit einer Z-Spannung von 2,5 V ... 36 V. Sie arbeitet zwar auch schon mit einem Z-Strom von 1 mA, aber alle Messwerte sind für 10 mA spezifiziert. 
Der TL431 erhöht oder verringert die Z-Spannung so weit, das die Spannung an seinem Steuereingang 2,495V (je nach Exemplar 2,47 V ... 2,52 V) beträgt. Dadurch kann die Ausgangsspannung mit einem Einstellwiderstand bestimmt werden.

Problematisch ist, das der TK des externen Einstellwiderstands sich stark auf die Ausgangsspannung auswirkt. Da ein Einstellregler einen typischen TK von 100 ppm/K aufweist, muss sein Einstellbereich durch Präzisionswiederstände (TK 25 ppm/K) stark eingeschränkt werden.

LT1021
Diese Schaltkreisfamilie umfasst Referenzspannungsquellen mit 5V, 7V und 10V Ausgangsspannung. Sie werden in 2 verschiedenen Genauigkeitsklassen verkauft. Typen der Bezeichnung LT1021B... und LT1021D... liefern eine Spannung, die um maximal 1% von der Nominalspannung abweicht. Schaltkreise mit der Bezeichnung LT1021C... sind vorkalibriert, und weisen einen Spannungsfehler von höchstens 0,05% auf. Damit schlägt die Genauigkeit dieser Referenzspannungsquellen die Messgenauigkeit der Bastler-Messtechnik.
Die 5V- und die 10V-Ausführung verfügt über einen Trimm-Eingang, mit dem sich die Ausgangsspannung präzise einregulieren lässt.

Sehr gut ist auch das Verhalten bei Belastung. Ausgangsströme bis zu 10mA wirken sich nicht merklich auf die Ausgangsspannung aus (< 1 mV).

Für einen ADC mit 10-Bit-Auflösung sind solche Genauigkeiten ohne Einschränkung geeignet. Leider wird man kaum Widerstände zum Aufbau eines Spannungsteilers finden, die die Genauigkeit der Spannung nicht zunichte machen. So bleibt eigentlich nur die 5V-Ausführung für PIC-ADCs interessant. Sie benötigt aber wenigstens 6V Betriebsspannung.


Anschließend eine Tabelle, die die oben beschriebenen Referenzspannungsquellen zusammenfasst:
 
Typ Z-Spannung [V] typ. Z-Strom [mA] max. Z-Widerstand [Ohm] max. TK [ppm/K] ca. Preis
AD589 1,235 V ±1,2% 0,5 1 50 8,00 €
ICL8069 1,23 V ±3% 0,5 2 (typ. 1) 50 2,02 €
LM336 2.5V 2,49 V ±1 ... 4% 1 1 (typ. 0,2) 20 (typ. 7) 1,71 €
LM336 5V 5,00 V ±1 ... 4% 1 2 (typ. 0,6) 20 (typ. 7) 1,71 €
LT1021CCN8-5 5,000 V ±0,05% bis 10 mA 0,1 (typ.0,05) 20 (typ. 3) 6,50 €
LT1431C 2,500 ... 36 (einstellbar) 10 0,2 30 3,55 €
TL431 2,495 ... 36 (einstellbar) 10 0,5 (typ. 0,15) 80 (typ. 30) 0,84 €
normale Z-Diode nach Typ 5 10 500 0,20 €
Z-Diode 1N825A 6,2 7,5 10 20 2,02 €

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Quellen:
- Datenblätter der Hersteller

Autor: sprut
erstellt: 06.01.2003
letzte Änderung: 19.03.2017