Linear Technology High-Speed-Signalerzeugung

Müssen High-Speed-Signale generiert werden, sind Bandbreite und Auflösung kritisch. Heute kommen schnelle Digital/Analog-Wandler (DAC) zum Einsatz. Sie ermöglichen eine Signalerzeugung nach neuestem Stand – vom Einzeltonsignal bis zu komplexen Mehrkanal-Signalen mit mehreren Hundert MHz.

Diese Anwendungen benötigen High-Speed-DACs, die schnell genug sind, um solche Signale zu erzeugen, ohne Kompromisse bei der Analogperformance einzugehen. In vielen Applikationen zur Signalerzeugung limitiert das Phasenrauschen die Anzahl der Kanäle und den möglichen Abstand der Kanäle. Das Phasenrauschen wird typischerweise vom Takterzeugungsprodukt eingebracht, das die Takteingänge des DACs treibt, aber jedes durch den DAC hinzukommende Phasenrauschen tritt im Ausgangsspektrum auf und kann die Signale begrenzen, die erzeugt werden können. Der ideale DAC für universelle Signalgenerierungsapplikationen sollte also so schnell wie möglich sein, mit geringem Rauschen, hoher Linearität und einem sehr geringen zusätzlichen Phasenrauschen. Wenn eine dieser Eigenschaften fehlt, dann wird das erzeugte Signal unter Umständen nicht ausreichen, um die Bedürfnisse der Anwendung zu erfüllen.

Bandbreite
 
In jeder Signalerzeugung ist die Bandbreite das wichtigste Designkriterium. Dabei ist die erste Frage eines jeden Entwicklers: Wie viel Bandbreite benötige ich für das zu generierende Signal? Der Entwickler wird eine bestimmte Bandbreite für ein bestimmtes Signalisierungsprotokoll oder für eine spezielle Applikation benötigen. Die Bandbreite, die der Entwickler braucht, kann nur mit einem DAC erzeugt werden, der mindestens die doppelte Bandbreite hat wie das zu erzeugende Signal. Das Verhältnis zwischen Bandbreite und Abtastrate (fs) wurde von Harry Nyquist definiert und beschreibt, wie sich Signale in abgetasteten Systemen verhalten.

Obwohl es möglich ist, Signale zu erzeugen, die von DC bis zu fs/2 reichen, ist es häufig wegen der ebenfalls erzeugten Spiegelfrequenzen des generierten Signals nicht praktikabel. Diese Spiegelfrequenzen treten mit dem Schema N*fs +/- fout (wobei fout die Frequenz des generierten Signals ist) auf. In der Praxis sind deshalb Rekonstruktionsfilter notwendig, mit denen diese ungewünschten Signalteile im Ausgangsspektrum unterdrückt werden. Aber selbst wenn das erzeugte Signal nicht über fs/2 hinausgeht, sondern diese Frequenz nur knapp erreicht, können die Spiegelfrequenzen aufgrund der Einschränkungen der Filter nur schwierig unterdrückt werden. Das Rekonstruktionsfilter wird mit realen Komponenten im analogen Bereich implementiert. Anders als digitale Filter sind diese Komponenten nicht ideal, was zu einem nicht-idealen Durchlassbereich mit Welligkeit und Insertion Loss (Einfügedämpfung) führt. Allgemein gilt: Je höher die Ordnung dieser Filter ist, desto mehr Welligkeit und Einfügeverluste haben sie, was die Entwicklung eines idealen Filters zu einer großen Herausforderung macht. Je näher die Bandbreite des Signals an fs/2 heranreicht, desto höher muss die Ordnung der Filter sein, um die unerwünschten Signalanteile abzuschwächen. Aber wie gesagt: Filter höherer Ordnung benötigen mehr Komponenten und weisen eine höhere Einfügedämpfung und Welligkeit im Durchlassbereich auf.