Analog-/Mixed-Signal-ICs
Beschaltung von schnellen Datenwandlern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der richtige Operationsverstärker für die Anwendung
Die modernen differenziellen Verstärker bieten eine einfache Möglichkeit zur Anpassung von Signalquelle und Eingangsimpedanz des Wandlers. Mit dem VOCM-Pin kann der Bereich der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers auf den korrekten Bereich für den A/D-Wandler gebracht werden, da die modernen Bausteine häufig einen entsprechenden Ausgang für die Verbindung zum VOCM des Operationsverstärkers besitzen.
Doch wie wähle ich den richtigen Verstärker für meine Anwendung aus? Dazu betrachten wir ein konkretes Beispiel. Ein A/D-Wandler vom Typ AD9445 (14 bit, 125 MS/s), der mit 5 V Versorgungsspannung betrieben wird, soll ein Gleichspannungs-Eingangssignal mit einer Bandbreite bis 50 MHz einlesen.
Das Signal hat einen Pegel von 1 V differenziell und soll mit 2 V den maximalen Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers speisen. Die interne 1-V-Referenzspannung des A/D-Wandlers wird hierbei genutzt. Ein wichtiger Parameter ist die Frequenzantwort, was für den Verstärker bedeutet, dass er eine kurze Einschwingzeit besitzen muss. Mit diesen Vorgaben passt am besten ein Verstärker aus der mittleren Spalte von Tabelle 2.
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Ein gutes Hilfsmittel für die ersten Annäherungen bietet die kostenlose Software „ADI DiffAmpCalc“. (Bild 3) Mit dieser Software können, nach Auswahl eines differenziellen Operationsverstärkers, die Ein- und Ausgangssignale dargestellt werden. In unserem Beispiel haben wir den ADA4939 ausgewählt. Laut Datenblatt ist der ADA4939 die ideale Wahl, um A/D-Wandler mit einer Auflösung von bis zu 16 bit von Gleichspannung bis zu einer Bandbreite von 100 MHz zu treiben.
Für unsere Anwendung haben wir eine differenzielle Eingangsspannung eingestellt. Im linken Bereich ist eine Darstellung des Eingangssignals zu finden. Als Nächstes stellen wir die Verstärkung von 2 ein und wählen einen Widerstandswert für Rg – in unserem Fall 200 Ω. Die zu treibende Last (der A/D-Wandler) ist eine differenzielle Last und wird dementsprechend in der Software ausgewählt.
Als Letztes wählen wir die Versorgungsspannung des Verstärkers und den Tiefpass-Filter mit einer Eckfrequenz von 60 MHz aus. Die Software liefert uns jetzt Daten zu den Rauschwerten der Widerstände und des Verstärkers. Ebenso bekommen wir die maximal mögliche Anzahl von Bits, die der Verstärker in Verbindung mit einem A/D-Wandler liefern kann, in diesem Fall 13,9 bit.
Anti-Aliasing Filter (AAF)
Bei den besprochenen Wandlern ist es empfehlenswert, einen sogenannten Anti-Aliasing Filter vorzusehen, um Abtastfehler bei der Umwandlung von analogen zu digitalen Signalen zu reduzieren. Laut dem Theorem von Nyquist-Shannon muss ein Signal mit mindestens der doppelten Signalfrequenz abgetastet werden, um die korrekte Rekonstruktion zu ermöglichen. Ist dies nicht der Fall, werden Frequenzanteile, die höher als die halbe Abtastrate sind, als niedrigere Frequenzen interpretiert (Unterabtastung). Dies ist der sogenannte Alias-Effekt.
Zur Reduzierung des Alias-Effekts wird typischerweise ein Tiefpass oder Bandpassfilter vor den A/D-Wandler geschaltet. Dadurch werden die Frequenzen über der Nyquist-Frequenz gedämpft. Dieses Filter sollte möglichst steilflankig sein, was durch eine hohe Ordnung des Filters zu erreichen ist. Trotz bestem Filter werden immer noch Teile der ungewünschten Frequenzen übertragen, daher ist immer ein Kompromiss zwischen Dämpfung der ungewünschten Frequenzen und Erhaltung des Nutzsignals bei der Wahl der Grenzfrequenz zu beachten. Eine einfache Methode, um die Anforderungen an das Filter zu reduzieren, ist die Überabtastung des Signals. Dabei wird das Signal mit einer deutlich höheren Frequenz als der doppelten Signalfrequenz abgetastet. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Anforderungen (Wandelfrequenz) an den A/D-Wandler steigen und auch im DSP oder FPGA deutlich mehr Daten verarbeitet werden müssen.
Anpassung der Ein- und Ausgangsimpedanzen.
In Bild 4 wird ein breitbandiger Transformator benutzt, der das massebezogene Signal in ein differenzielles Signal umwandelt. Der folgende Operationsverstärker verstärkt das Signal, wobei die Verluste, die in den Filterstufen auftreten, ausgeglichen werden können.
- Beschaltung von schnellen Datenwandlern
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- „Continuous Time Sigma Delta“-Wandler (CTSD-Wandler)
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