Rausch- und driftarme Erfassung eines Sensorsignals - am Beispiel eines Rasterkraftmikroskops

Im Rahmen einer Kooperation mit dem Mitutoyo Research Center Europe (RCE) wurde eine neuartige Sensorschnittstellenschaltung zum Betrieb eines piezoelektrischen AFM Sensors entwickelt. Bei der Messung wird der AFM Sensor über den gleichen elektrischen Anschluss zur Resonanz angeregt und ausgelesen. Dabei ermöglicht ein rein aus passiven Komponenten aufgebautes Kompensationsnetzwerk die Isolation des gegenüber der Anregung um 40 dB schwächeren Resonanzsignales mit einem Rausch- und Driftabstand von 30 dB. Die Schaltung arbeitet selbst bei ausgedehnten Messzeiten im Stundenbereich stabil.
Im Zentrum der Schaltung befindet sich ein Signaltransformator mit einer oder mehreren Primärwindungen N1index und einer Sekundärwindung N2, die mit einem Transimpedanzverstärker verbunden und durch ihn faktisch kurz geschlossen ist. Die notwendige Eingangsspannung des Transimpedanzverstärkers beträgt am Arbeitspunkt des dynamischen Betriebes typischerweise wenige Millivolt, während die Spannungen an Eingangs- und Ausgangsseite der Schaltung (Fig. 1) sich im Voltbereich bewegen, d.h. um 3 Größenordnungen größer sind. Folglich sind die Spannungen an den 3 Anschlüssen von N1 praktisch identisch, und die Schaltung ist von Blindströmen, Streuinduktivität etc. unbeeinträchtigt. Durch die Nutzung von einstellbaren, passiven Schaltungselementen mit reeller und imaginärer Impedanz können beliebige Anteile der komplexen Sensorimpedanz präzise ausgeglichen werden und nur die benötigten Anteile des Sensorsignals bilden das Ausgangssignal. Bei einer Anregungssfrequenz von 400 kHz kann so ein Sensorsignal isoliert werden, dass um 40 dB kleiner als das Signal ohne Kompensation ist, wobei Drift und Rauschen um weitere 30 dB kleiner sind. Ferner hat der Sensor nur einen Signalanschluss, der andere Anschluss ist Masse, was Entwurf und Handhabung des Sensors weiter vereinfacht.

Bild 1 Sensorschnittstellenschaltung mit einem Signaltransformator angewendet in einem Rasterkraftmikroskop mit piezobasierter, dynamischer Messspitze

Das Prinzip des kurzgeschlossenen Transformators hat weitere vielfältig nutzbare Vorteile. Der vielleicht wichtigste ist der Wechselstromeingang mit Signaltransformator, der z.B. auf ADC Karten mit Wechselstromeingängen üblich ist. Dem Stand der Technik folgend werden gegenwärtig die Signaltransformatoren der vollen Eingangsspannung bis in den Bereich ganzer Volt ausgesetzt. Die begrenzte Eingangsinduktivität mit unvorhersehbarer Unsicherheit aufgrund von Temperatur- und Sättigungseffekten des Ferritkerns führt zu Nachteilen wie z. B. einer hohen unteren Grenzfrequenz, und Verzerrung des Eingangssignales und Rückreflektionen in das Übertragungskabel aufgrund der Blindströme. Nutzt man den Signaltransformator hingegen direkt am Transimpedanzverstärkereingang und somit im Millivolt Bereich und setzt den Abschlusswiderstand direkt vor die Anschlüsse von N1, so reduziert man die genannten Blindstromprobleme um mehrere Größenordnungen. Da bei niedriger Frequenz die benötigte Eingangsübersteuerung des Transimpedanzverstärkers gleichermaßen wie die Eingangsimpedanz des Transformators sinkt, verringert sich die untere Grenzfrequenz der Schaltung deutlich.
Aufgrund der zahlreichen genannten Vorteile wird das Schaltungsprinzip bereits in der analogen Signalerfassung bzw. -modifikation eingesetzt, wie z.B. bei selbstsensitiven, piezobasierten Tastsensoren und auch bei ADCs mit transformatorischem Wechselstromeingang.