8- bis 10-bit-A/D-Wandler Eine Plattform für die HF- und Messtechnik

A/D-Wandler sind bekannte Engpässe in der Empfangskette von Hochfrequenzsignalen und gelten als Schlüsselkomponenten präziser digitaler Messgeräte. Um die immer breitbandigeren Signale zu verarbeiten, werden A/D-Wandler überlappend betrieben (Interleaving). Leider fordert dies einige Vorkehrungen und bringt viel Nachbereitungsaufwand mit sich.

Dieser Artikel zeigt die Vorteile und Einschränkungen des Interleaving-Betriebs beim Design von schnellen atenwandlern am Beispiel einer A/D-Wandler-Plattform mit 5 GSamples/s und vier schnellen A/D-Wandler-Kernen auf einem einzelnen Chip. Ferner wird untersucht, über welche Funktionen ein einfacher A/D-Wandler für Interleaving verfügen muss. Also eine Kopplung, die ähnliche Ergebnisse liefert wie ein schneller Datenwandler ohne Interleaving, damit die Fehler des Interleavings nicht durch digitale Nachbearbeitung behoben werden müssen. Damit wird Interleaving ohne besondere Analogtechnik möglich und allein per Standard-SPI (Serial Peripheral Interface) digital gesteuert.

Mit der zunehmenden Digitalisierung der Kommunikation steigen die Bemühungen von Entwicklern, die analogen Komponenten einer Signalkette so weit wie möglich zu reduzieren, um auf teure Analogstufen (Mixer und Filter) zu verzichten und das Signal auf höheren Zwischenfrequenzen zu übertragen. Diese Entwicklung zielt auf Software Defined Radio (SDR) ab, dem neuen Hoffnungsträger in der HFKommunikation. Ziel ist es, das Modulationsschema von der Hardware- Implementierung der Empfangsstufen zu trennen und es über einfaches Umprogrammieren eines digitalen Prozessors zu modifizieren. Eine ähnliche Entwicklung war beispielsweise bei den Abtastraten im Messtechnikmarkt (ATE, DSO etc.) zu beobachten. Diese Zielsetzung stellt die A/D-Wandler als Schnittstelle zwischen den analogen und digitalen Welten vor enorme Herausforderungen. Legt man das Theorem von Shannon- Hartley zugrunde, sind eine Verbesserung des Rauschverhaltens (Signal- to-Noise-Ratio, SNR) oder eine Erhöhung der Abtastrate – oder beides – die naheliegendsten Lösungen. Daher wird im Folgenden untersucht, wie die Abtastrate mit lediglich minimaler Verschlechterung der SNR gesteigert werden kann. Abgesehen von einer neuen, modernen Prozesstechnologie gelingt das mit Hilfe eines zeitversetzten Betriebs „einigermaßen schneller“ A/D-Wandler. Bei genauerer Betrachtung der Voraussetzungen auf A/DWandler- und Systemebene für Interleaving wird deutlich, dass eine Verzahnung vieler langsamer A/D-Wandler nicht immer sinnvoll ist.

Prinzip des zeitversetzten Betriebs von A/D-Wandlern

Der zeitversetzte Betrieb von A/DWandlern ist ein ziemlich verlockendes Konzept, doch ist es nicht ganz einfach, damit akzeptable Ergebnisse zu erzielen. Im Prinzip verwendet man m A/D-Wandler (aus praktischen Gründen ist m in der Regel eine Zweierpotenz), die dasselbe Signal mit der Abtastrate fs wandeln, wobei der Abtastzeitpunkt um p/m verschoben ist (p ist die einzelne Abtastperiode, also p = 1/fs), was es ermöglicht, eine äquivalente Abtastung bei fseq = m x fs zu erhalten. Obwohl das auf dem Papier einfach aussieht, beeinträchtigen im tatsächli-chen Betrieb Effekte wie die Abstimmung der Komponenten, Rauschen, Phasenunsicherheit und manchmal auch unterschiedliche thermische Drift die Ergebnisse. All diese Einflüsse müssen behoben werden, um A/DWandler korrekt zeitversetzt zu betreiben.

Dieses Ergebnis des korrekten Interleaving von m A/D-Wandlern wird TIADC (Time Interleaving of m ADCs) genannt und wie folgt definiert: Ein korrekter TIADC liefert Ergebnisse, die den Systemanforderungen ebenso entsprechen wie ein einzelner, schneller A/D-Wandler. Wenn das Interleaving die Systemleistung senkt, so wird dies durch eine digitale Verarbeitung wieder ausgeglichen (wobei keine Information verlorengehen darf).

Voraussetzungen für das Interleaving

Zunächst erfordert Interleaving den Abgleich von Verstärkung und Offset sowie die Angleichung der Phase des jeweiligen Kanals. Diese Voraussetzungen müssen über den gesamten Frequenzbereich hinweg erfüllt sein, was bedeutet, dass die Bandbreiten der unterschiedlichen Kanäle ebenfalls angeglichen werden müssen. Alternativ kann auch die Eingangsfrequenz deutlich unterhalb der Bandbreite liegen, so dass die Verstärkung tatsächlich über die mögliche Eingangsfrequenz angepasst sein kann. Als Anschauungsbeispiel dienen der Einfachheit halber vier zeitversetzt betriebene A/D-Wandler mit einem reinen Sinus als Eingangssignal, idealer Antwortfunktion, 1024 Abtastpunkten pro A/D-Wandler und einer Periode des Eingangssignals. Es handelt sich dabei um einen 8-bit-A/DWandler sowie eine Überabtastung mit etwa dem Faktor 2. Es gibt zwei Ursachen der Signalverschlechterung:

  • Deterministische Störungen, die sich im analogen Bereich einfach kompensieren beziehungsweise in der digitalen Welt verarbeiten lassen. Dazu gehören beispielsweise Offset, Verstärkung, INL (Integrale Nichtlinearität) oder Versatz des Abtastzeitpunkts.
  • statistisch zufällige Störungen: Beispielsweise thermisches Rauschen in den verschiedenen Signalpfaden oder unkorreliertes Phasenrauschen zwischen verschiedenen Stichproben.

Fehler durch Offset-Versatz oder in der Verstärkungsanpassung

Störungen entstehen oft durch die Fehlanpassung des Offset oder der Verstärkung der Kanäle. Beide Fehler lassen sich entweder auf analoger oder auf digitaler Seite beheben. Auf analoger Seite kann dies durch die digitale Steuerung der Offset- und Verstärkungs- Regelung der A/D-Wandler geschehen, auf digitaler Seite durch einen digitalen Signalprozessor.

Aufgrund der Addierer und Multiplizierer bringt diese Lösung allerdings einen größeren Overhead mit sich. Daher empfiehlt es sich, die Korrekturen auf analoger Seite durchzuführen. Wenn das Interleaving zwischen verschiedenen Chips stattfindet, können Unterschiede im Wärmemanagement der Bausteine bei Änderungen der Systemtemperatur eine Offset-Rekalibrierung erfordern. Im Falle einer 2- oder 4-Kanal-Überlappung auf einem Chip ist dies nicht nötig, da die Temperaturen der vier A/D-Wandler auf dem Chip identisch sind und sie dieselben lineare Drift über den gesamten Temperaturbereich der Offsetund Verstärkungs-Abstimmung aufweisen.