Analog-/Mixed-Signal-ICs Beschaltung von schnellen Datenwandlern

Analog-Eingang, Datenschnittstelle, Takteingang und Spannungsversorgung sind die kritischen Parameter für gute und schnelle Datenwandler-Schaltungen. Bei den analogen Eingängen geht es um die richtige Auswahl des Operationsverstärkers, der Filter und der Referenzspannungsquelle.

Der Bedarf an schnellen Datenwandlern nimmt zu, da ihre Einsatzbereiche sehr stark wachsen. Diese Art von Wandlern ist u.a. in den Bereichen drahtlose Datenübertragung, kabelgebundene Kommunikation oder in Testsystemen wie z.B. Spektrumanalysatoren zu finden. Mit „schnellen Datenwandlern“ sind Wandler mit Abtastraten von über 20 Millionen Wandlungen pro Sekunde gemeint. Bei solchen Wandlern gilt es hauptsächlich folgende Bereiche zu betrachten:

  • Analoger Eingang
  • Referenz-Eingang
  • Spannungsversorgung
  • Takteingang
  • Datenschnitttstelle

In diesem ersten Teil des Artikels werden die analogen Eingänge behandelt, das heißt, der Signal-Eingang und der Referenz-Eingang.
Der Großteil der schnellen Datenwandler besitzt differenzielle analoge Eingänge und oft auch differenzielle Takteingänge sowie differenzielle Ausgänge, um die Daten schnell und stör­unanfällig an das FPGA oder den DSP auszugeben. Wenn diese differenziellen Ein- und Ausgänge richtig angepasst sind, helfen sie, die Linearität zu verbessern, und reduzieren das Überschwingen bei schnellen Signalwechseln. In differenziellen Signalwegen heben sich gewisse Störungen auf, da es keinen direkten Bezug zur Massefläche gibt. Damit wirken sich Pegelschwankungen in der Massefläche (sogenanntes Ground Bouncing) nicht auf die Signalleitungen aus. 

Eingangsbeschaltung

Jeder A/D-Wandler benötigt eine Eingangsbeschaltung, um das Signal an die Eingangsstufe des Wandlers anzupassen. Die Aufgaben dieser Eingangsbeschaltung sind z.B. die Pegelanpassung, die Wandlung des Signals von massebezogen in differenziell, die Anhebung des Signals, die Anpassung der Impedanz und die Begrenzung der Bandbreite (typisch mit Tiefpass- oder Bandpass-Filtern).

Die Eingangsbeschaltung kann in zwei Arten erfolgen: aktiv mit Operationsverstärkern und passiv mit Übertragern. Jede dieser beiden Schaltungsarten hat gewisse Vor- und Nachteile, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Wenn eine Gleichspannungskopplung benötigt wird, ist dem Verstärker in jedem Fall der Vorzug gegenüber dem Übertrager zu geben, da letztere nur Wechselspannungen übertragen können. Eine weitere Anwendung für den Verstärker ist die Möglichkeit, dass sich die Verstärkung in weiten Bereichen einfach einstellen lässt. Bei einem Übertrager sind hier verschiedene Windungsverhältnisse nötig, beim Verstärker nur verschiedene Widerstandswerte. Bei allen anderen Anwendungen müssen die oben genannten Vor- und Nachteile abgewogen werden.

Eingangsstrukturen der Wandler

Die meisten der schnellen Datenwandler haben Eingänge mit einer differenziellen Sample-and-Hold- (SH) Verstärker-Struktur. Diese SH-Glieder halten den analogen Wert für die Dauer der Wandlung fest. In Bild 1 ist eine Eingangsstufe dargestellt. Bei der Erfassung des Messwertes (Sample, S) sind die mit S gekennzeichneten Schalter geschlossen. In diesem Status werden die beiden Sample-Kondensatoren (Cs) auf die an den Eingängen Uin anliegende Spannung aufgeladen. Die Kondensatoren Cp zeigen die parasitären Kapazitäten der Schalter sowie die Streukapazitäten der Eingänge.
Der nächste Schritt ist die Wandlung der auf Cs gespeicherten Werte.

Nun werden die mit S gekennzeichneten Schalter geöffnet und die mit H gekennzeichneten Schalter geschlossen. Dabei werden die Sample-Kondensatoren von den Eingängen getrennt und laden die beiden Hold-Kondensatoren (Ch) auf. Diese Spannungspegel werden durch den differenziellen Verstärker A für die folgende interne Stufe gepuffert. Dieser Vorgang läuft mit der im Datenblatt angegebenen Geschwindigkeit ab (Sample Rate). Bei den nicht gepufferten Wandlern, wie in diesem Beispiel, sind die analogen Eingänge direkt mit den Sample-Kondensatoren verbunden, was zu Transienten während der Lade- und Entladephase von Cs führt. Dieses Verhalten erzeugt eine dynamische Last gegenüber der Signalquelle. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, einen Operationsverstärker als Puffer vor dem Wandler einzusetzen. Dieser kann außerdem zur Anhebung des Signals genutzt werden und verhindert die Rückwirkung der dynamischen Last auf die Signalquelle.

Bild 1 stellt die Eingangsstruktur eines typisches Eingangsglieds vereinfacht dar. Moderne Wandler haben eine modifizierte Struktur mit anderen Kapazitäten, wie Bild 2 zeigt.