Analog-Mixed-Signal Rauscharmer Verstärker für einen A/D-Wandler

A/D-Wandler bieten immer bessere Werte für das Intermodulationsrauschen. Eine gute Systemleistung setzt jedoch häufig einen HF-Verstärker mit hoher Leistungsaufnahme für adäquate Störfrequenz-pegel voraus. Die hier vorgestellte Endstufe mit RLC-Filter zweiter Ordnung in einer schmalbandigen 70-MHz-ZF-Anwendung bietet 19 dB Verstärkung für einen 14-bit-A/D-Wandler und kommt mit weniger als 120 mW aus.

Moderne A/D-Wandler bieten hervorragende Daten hinsichtlich eines verzerrungsfreien Dynamikbereichs (SFDR, spurious-free dynamic range), und das bei immer niedrigeren Verlustleistungen. Als Beispiel für eine schmalbandige Zwischenfrequenz von 70 MHz zeigt Bild 1 die in einer Labor-Entwicklung erzielte Intermodulation (IM) mit dem 14-bit-/250-MS/s-A/D-Wandler ISLA214P25 von Intersil. Die gesamte Leistungsaufnahme liegt unter 480 mW.

Die in Bild 1 gezeigten Daten wurden mit Signal- und Taktquellen mit sehr niedrigem Phasenrauschen sowie schmalbandigen Labor-Bandpassfiltern gewonnen. Der erzielte Pegel von -87 dBFS (full scale) ist -80 dBc (carrier), bezogen auf den Pegel von -7 dBFS für jedes Signal und dem Intermodulationsrauschen dritter Ordnung.

Vom Ausgang des Bandpassfilters ab bietet ein A/D-Wandlerboard meist gewisse Varianten einer Schnittstelle mit zwei Übertragern, um eine Wandlung von single-ended auf differenziell mit möglichst geringer Verzerrung zu erzielen. Für die in Bild 1 gezeigten Daten benötigen die Übertrager im Wesentlichen ein Übertragungsverhältnis zwischen 2:1 und 1:1.

Mit 2 Vpp (Spitze-Spitze) Vollausschlag am Eingang entspricht der Pegel -7 dBFS einer Spannung von 890 mV pp für jeden Ton. Einschließlich der Einfügungsdämpfung der Übertrager von -1 dB erhält man am Eingang des Boards für jeden von zwei Signalen 1 Vpp, bzw. 2 Vpp für einen Single-tone-Test bei -1 dBFS.

Im Labor ist dies gut genug. Doch in realen Systemen wäre eine Endverstärkerstufe besser, um den Eingangsbereich des A/D-Wandlers voll zu nutzen, und zwar mit minimaler Degradation durch Harmonische und/oder schlechteren Rauschabstand (SNR) durch die viel niedrigeren Ausgangspegel von Mischern oder SAW-Filtern.

Verstärker mit passivem Filter vor hochwertigem A/D-Wandler

Neuerdings gibt es sehr breitbandige, voll differenzielle Verstärker (fully differential amplifier, FDA) mit Low-Power-Eigenschaften, mit denen sich diese Anforderungen möglicherweise realisieren lassen. Beispielsweise braucht der für 4 GHz und 0,85 nV/√Hz Eingangsrauschen ausgelegte Intersil-Baustein ISL55210 bei einfacher 3,3-V-Stromversorgung nur 115 mW. Dabei bietet er eine extrem niedrige IM3-Verzerrung (Intermodulation dritter Ordnung) bis hinauf zu 100 MHz (Bild 2).

Bei genauerer Betrachtung der 2-Vpp-Verläufe (Zweiton-Kurve, mit 1 Vpp für jeden Ton) in Bild 2 sieht man, dass die IM3-Verzerrung mehr als -100 dBc unter den beiden Trägern bei 70 MHz liegt. Die Kurven für IM2 sind beträchtlich höher (ca. -80 dBc). Doch sie lassen sich mit einem Filter zwischen Verstärker und A/D-Wandler unterdrücken.

Um diese extrem niedrigen IM3-Pegel zu erzielen, bietet der Baustein ISL55210 mit dieser Auslegung der Eingangsstufe eine Kleinsignal-Bandbreite von >1 GHz bei einer moderaten Verstärkung. Hinzu kommt die für einen Low-Power-Baustein sehr hohe Schleifenverstärkung, um die genannte IM3-Performance zu erzielen.

Das Zwischenfilter muss außerdem die Bandbreite des 1-GHz-Rauschspektrums begrenzen, um die Degradation des Störabstandes (Signal-Rausch-Verhältnis, SNR) durch die A/D-Wandlung zu reduzieren. Dies muss jedoch keine allzu große Auswirkung auf die Sperrbanddämpfung haben, wenn die Nyquist-Filterung gleich am Eingang geschieht.

In diesem Fall, mit den IM-Kurven des Verstärkers nach Bild 2 und wenn das interessierende, recht enge Band ausreichend verstärkt und moderat gefiltert werden kann, müssten der Störabstand des A/D-Wandlers und die IM-Leistungsfähigkeit wohl größtenteils erhalten lassen.

Signalqualität erhalten

Zusammengenommen bedingen das Signal-Rausch-Verhältnis und die IM-Performance des an den A/D-Wandler gelieferten Signals sicherlich eine Degradation der A/D-Charakteristik. Das Entwicklungsziel besteht also darin, diese Degradation mit einem relativ einfachen Zwischenfilter und einer Single-to-differential-Verstärkerstufe so gering wie möglich zu halten.

Theoretisch wird das am Eingang des A/D-Wandlers vorhandene Signal-Rausch-Verhältnis mit dem Signal-Rausch-Verhältnis des A/D-Wandlers im FFT-Testergebnis kombiniert. Die Harmonischen am Eingang des A/D-Wandlers werden den vom A/D-Wandler erzeugten Werten linear aufaddiert.

Ein guter Bezugswert ist eine Degradation von 1 dB im störfreien Dynamikbereich (SFDR) des A/D-Wandlers, die ein Eingangsspektrum bedingt, dessen hier relevante Harmonische mindestens 19 dB niedriger liegt als die des A/D-Wandlers. Mit den in Bild 1 angesetzten IM3-Werten von -80 dBc (in diesem Fall nicht dBFS) erscheint der geforderte Wert von -99 dBc mit dem ISL55210 durchaus realisierbar (Bild 2).