Dynamikbereich eines A/D-Wandlers optimieren

Um beim Design eines Datenwandlersystems einen bestimmten Wert für den Signal/Rauschabstand zu erzielen, muss der Entwickler verschiedene Faktoren berücksichtigen. Dieser Beitrag geht auf diese Faktoren näher ein und zeigt an einem konkreten Beispiel, wie sich mit relativ...

Um beim Design eines Datenwandlersystems einen bestimmten Wert für den Signal/Rauschabstand zu erzielen, muss der Entwickler verschiedene Faktoren berücksichtigen. Dieser Beitrag geht auf diese Faktoren näher ein und zeigt an einem konkreten Beispiel, wie sich mit relativ geringem Aufwand ein Signal mit 50 MHz Bandbreite mit einem Signal/Rauschabstand von 100 dB abtasten lässt.

Leistungsfähige Prüfinstrumente und Systeme der Kommunikationsinfrastruktur stellen höchste Anforderungen an die in ihnen arbeitenden ICs. Da sowohl sehr kleine Signale (unter -100 dBm) als auch Signale mit hoher Leistung (> 0 dBm) präzise zu erfassen, zu messen und zu analysieren sind, verlangen solche Applikationen nach Bauelementen mit extrem großem Dynamikbereich. Dabei bestimmt sich der tatsächlich nutzbare Dynamikbereich solcher Systeme unmittelbar durch die Leistungsfähigkeit der analogen Bauelemente im Signalpfad. Systementwickler müssen die Bauelemente also sorgfältig auswählen und bewährte Designmethoden anwenden, um über große Bandbreiten hinweg einen maximalen Dynamikbereich und ein geringes Rauschen zu erzielen. Um bei analogen Bauelementen wie etwa A/D- oder D/A-Wandlern ein Optimum an Performance zu erzielen, sind die korrekte Aufbereitung der analogen Signale und einwandfreies Taktdesign entscheidend.

Die Auswahl des A/D-Wandlers erfolgt allgemein zunächst nach dem geforderten Dynamikbereich sowie dem Eingangsfrequenzbereich des Systems. Folgende Parameter sind ebenfalls wichtig:

  • ENOB-Wert (Effective Number of Bits),
  • Signal/Rauschabstand (Signal to Noise Ratio, SNR),
  • störungsfreier Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR),
  • Abtastfrequenz (Sample Frequency, FS),
  • Eingangsbandbreite bei voller Leistung (Full Power Input Bandwidth, FPBW) und
  • Art der digitalen Schnittstelle.

Viele schnelle A/D-Wandler verfügen über parallele CMOS-Ausgänge. Im Vergleich dazu weisen serielle LVDS-Ausgänge erhebliche Vorteile auf. Das Serialisieren der erfassten Daten zu einem schnellen differenziellen Datenstrom hat beispielsweise zur Folge, dass am erfassenden FPGA weniger I/O-Leitungen nötig sind; dadurch kommt das IC mit weniger Pins aus und wird kostengünstiger. Selbstverständlich muss das FPGA von seiner Technologie her für die Verarbeitung serieller Daten im GBit/s-Bereich geeignet sein. Vereinfacht wird die Datenübernahme durch den Einsatz von ADCs mit Dual-Data-Rate-Ausgangstakten (DDR).

Differenzielle Signale sind besser

Dank ihres geringeren Spannungshubs legen LVDS-Ausgänge auch ein besseres Rauschverhalten an den Tag. Wie Messungen belegen, sorgt ihre Konstantstrom-Charakteristik dafür, dass weniger Störungen in die Masselage (Ground-Plane) des Datenwandlers gelangen, wodurch sich die Einkopplung von Störungen aus der Masselage in die analogen Eingänge deutlich entschärft. Bei herkömmlichen TTL- oder CMOS-Treibern sind solche Einkopplungen aus den digitalen Ausgängen in die analogen Eingänge ein bekanntes Problem, speziell wenn die Kapazität des Ausgangsbusses aufgrund langer Leiterbahnen nicht mehr zu vernachlässigen ist oder wenn digitale Bausteine mit großen Eingangskapazitäten angesteuert werden.

Ist die Entscheidung zugunsten eines bestimmten A/D-Wandlers gefallen, muss der Entwickler anschließend die Bauelemente der Taktschaltung und der Treiber für den analogen Eingang auswählen.

Die Wahl des Analogeingangstreibers ist von der Applikation abhängig, und meist kommt hier nur ein differenzieller Verstärker oder Übertrager in Frage. ADCs mit differenziellem Eingang werden nur selten mit Single-Ended-Signalen angesteuert, weil in diesem Fall die Vorteile der differenziellen Signale – Reduzierung der Verzerrungsprodukte gerader Ordnung und bessere Gleichtaktunterdrückung – verloren gehen.

Aus diesen Gründen haben praktisch alle schnellen und hochgenauen Datenwandler differenzielle Eingänge. Bild 1 zeigt einen typischen analogen Signalpfad mit verschiedenen Stufen für die Filterung und die Frequenzumwandlung sowie den Takteingang.

Ob ein Verstärker oder ein Übertrager zum Ansteuern der analogen Eingänge zum Einsatz kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Als passives Bauelement nimmt der Übertrager selbst keine Leistung auf – Eingangs- und Ausgangsleistung sind somit gleich. Außerdem sind die Verzerrungen bei Übertragern dadurch allgemein geringer. Die wichtigsten Pluspunkte von Verstärkern gegenüber Übertragern sind die Möglichkeit einer hohen (fest eingestellten oder variablen) Verstärkung, der DC-Kopplung und des Schutzes für den ADC-Eingang.

Der Schutzaspekt hat große Bedeutung, wenn in einer Anwendung nicht ausgeschlossen werden kann, dass die Spannung an den ADC-Eingängen den zulässigen Maximalwert deutlich übersteigt. In einem solchen Fall kann sich ein Verstärker mit einer Klemmfunktion am Ausgang als sehr nützlich erweisen, denn dadurch lassen sich ein Übersteuern der ADC-Eingänge und eine mögliche Zerstörung des Bausteins vermeiden. Demgegenüber ist die Verwendung einer schnellen Diode, beispielsweise einer PIN-Diode, am Ausgang eines Übertragers häufig inakzeptabel, da sie durch ihre zusätzliche Kapazität die Signalbandbreite beeinträchtigt. Tabelle 1 stellt die beiden Kopplungsverfahren für ADC-Eingänge einander gegenüber.