Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil

11. März 2009, 10:35 Uhr | Alison Steer

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil

Große Vorsicht ist angebracht, wenn man ein FPGA zur Implementierung der digitalen Teile einer PLL-Funktion verwendet. Ausgeschlossen ist dies nicht, solange VCO, Schleifenfilter und Retiming-Stufe extern implementiert werden. Man sollte sich klarmachen, dass das Ausgangssignal des VCO, der das FPGA ansteuert, an den Oszillator zurückreflektiert werden kann. Ein Fehler kann beispielsweise die Verwendung eines Leistungsteilers als Isolation zwischen dem FPGA und der Retiming-Stufe sein. Leistungsteiler, ob es sich nun um Wilkinson-Splitter mit Wellenleitungen handelt oder um Lumped-Element-Splitter mit 90°, 180° oder 0°, weisen alle eine eingeschränkte Out-of-Band-Isolationswirkung auf. Resistive Splitter wiederum sind zwar breitbandig, bieten aber keine große Isolationswirkung. Das vom FPGA reflektierte Outof-Band-Rauschen kann eine Phasenmodulation des vom VCO erzeugten Takts bewirken, der daraufhin nicht mehr regeneriert werden kann. Als Lösung kommt eine asymmetrische Teilung in Frage. Der Großteil der VCOAusgangsleistung wird hier der Retiming-Stufe zugeführt, und das VCO-Ausgangssignal wird vor der Weiterleitung an das FPGA gepuffert. Die Rückwärtsisolation des Puffers ergänzt dabei die Isolationswirkung der anderen Elemente im Signalweg. In diesem Fall kann es ratsam sein, zwischen VCO und Puffer ein Filter einzufügen. Dies bewirkt eine deutliche Anhebung der Isolationswirkung bei hohen Frequenzen, auf die wahrscheinlich der Großteil der Ground-Bounce-Effekte im FPGA entfallen wird. Die Verwendung einer Verstärkung von beispielsweise 20 dB zum Ansteuern des Teiler-Eingangs der PLL-Stufe im FPGA würde die Rückwärtsisolation ebenfalls verbessern, da Verstärker mit hoher Verstärkung wegen der geringeren Rückkopplung tendenziell eine höhere Rückwärtsisolation aufweisen. Nimmt man beim Eintritt in den Verstärker eine Abschwächung um beispielsweise 20 dB vor, erhält man eine Rückwärtsisolation von weiteren 20 dB.

Ähnliche Aspekte gibt es in einer Takt-Architektur mit einem Taktverteilungs-Baustein, der einen Baustein ansteuern muss, wenn es auf seinem Substrat zu Ground-Bounce-Effekten kommt. Ein unzureichender Puffer mit nur einem Masse-Pin und nur einem Stromversorgungs-Pin, aber mehreren Ausgängen ist mit großer Wahrscheinlichkeit nicht in der Lage, Reflexionen von anderen Verbrauchern abzuwehren. Bessere Chancen für eine wirksame Isolation bestehen bei Bausteinen im QFN-Gehäuse oder mit anderen Exposed-Pad-Gehäusen. Takt-Repeater in CML-Technik (Current Mode Logic) sind unter Umständen die beste Wahl, weil die CML-Ausgangsstufe gegenüber eingestreutem Ground-Bouncing nicht so empfindlich ist wie PECL- (Positive Emitter Coupled Logic) oder LVDS-Stufen (Low Voltage Differential Signaling). Zweifellos sind Single-Ended-Taktarchitekturen auf CMOS-Basis bedeutend empfindlicher gegenüber Störungen, die von Verbrauchern reflektiert werden.

Vorsichtsmaßnahme 5: Das Demo-Board nicht einfach kopieren

An dieser Stelle ist es empfehlenswert, sich noch einmal die grundlegenden Merkmale von Wellenleitungen in Erinnerung zu rufen. Wenn eine Wellenleitung (z.B. ein Koaxialkabel) zwei Subsysteme mit unterschiedlichen Massepotentialen verbindet, wird diese Potentialdifferenz nur dann unterdrückt, wenn die Wellenleitung an beiden Enden mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen wird, und zwar über die gesamte empfangsseitig vorkommende Bandbreite hinweg.

Es gibt genug Fälle, in denen dies anscheinend vergessen wurde. Hat man ein reflektierendes Filter und einen hauptsächlich breitbandigen Abschluss am empfangenden Ende, so wird jede Potentialdifferenz außerhalb des Durchlassbandes, für die die Wellenleitung am Filter unzureichend abgeschlossen ist, am empfangenden Ende – das heißt am A/D-Wandler – zu Tage treten. Dies gilt für den analogen Eingang ebenso wie für den Takteingang. Die meisten Filter haben reflektierende Eigenschaften, denn ihre Filterwirkung beruht schließlich darauf, dass die in das Sperrband fallende Leistung an die Signalquelle zurückgeworfen wird. Absorbierende Filter sind in diesen Fällen deutlich besser, da die Wellenleitung außerhalb des Bandes einwandfrei abgeschlossen wird.


  1. Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil
  2. Literatur
  3. Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil
  4. Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil
  5. Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil
  6. Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler optimal ausnutzen – 2. Teil