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Analog/Digital-Wandlung

Integriert oder besser mit eigenständigem IC?

7. März 2022, 9:09 Uhr | Von Iman Chalabi, Product Marketing Engineer in der Mixed Signal Linear Business Unit bei Microchip-Technology

Bild 1: Diese Abbildung zeigt weißes Rauschen im flachen Teil des Rauschspektrums. 1/f-Rauschen ist bei niedrigeren Frequenzen vorhanden und wächst etwa bei der Eckfrequenz über das weiße Rauschen hinaus.

Heute werden immer mehr analoge Daten erfasst und analysiert; gleichzeitig steigen die Ansprüche an die Genauigkeit der Messungen. Geht das mit Mikrocontrollern mit integriertem A/D-Wandler (ADC) oder ist ein eigenständiger ADC notwendig?

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Wo liegen die Unterschiede zwischen einem im Mikrocontroller integrierten ADC und einem Standalone-ADC, und welcher eignet sich besser für die jeweilige Anwendung?

Integrierte ADCs

Da der ADC in diesem Fall ein Peripheral der MCU ist, wird für die Fertigung meist ein MCU-freundlicher Prozess wie beispielsweise eine 28-nm-Technologie genutzt, der eine gute digitale Schaltkreisdichte und hohe Schaltgeschwindigkeiten bietet. Mit diesen Prozessen kann zwar auch die Größe des ADC reduziert werden, allerdings sind damit erhebliche Kompromisse verbunden:

Die relativen Kosten des ADCs steigen aufgrund der wesentlich höheren Prozesskosten.
Mit den kleineren Strukturen erhöht sich das Eigenrauschen des ADC, vor allem das thermische Rauschen bzw. das kT/C-Rauschen.
Die größeren Kondensatoren in ADC-Designs zur Verringerung des thermischen Rauschens stellen bei kleineren Prozessgeometrien eine erhebliche Designbeschränkung dar – es ist geometrisch viel schwieriger, die erforderlichen Komponenten für die analoge Performance in kleineren Geometrien zu implementieren.
Kondensatoren in kleinerer Geometrie führen zu Leckströmen und Nichtlinearitäten im Design.
Anpassungsprobleme, die sich bei kleineren Strukturgrößen nicht so gut kontrollieren lassen, erschweren nicht nur den Herstellungsprozess, sondern führen auch zu Schwankungen der Leistungsparameter des ADC.

Ein weiteres Problem stellt das 1/f-Rauschen dar. 1/f-Rauschen dominiert bei niedrigen Frequenzen und nimmt ausgehend von DC etwa um den Faktor 1/√f ab. Bei höheren Frequenzen überwiegt das weiße Rauschen das 1/f-Rauschen ab der sogenannten Eckfrequenz, wie in Bild 1 gezeigt. Will ein Entwickler die Leistung durch digitale Kompensationstechniken wie Mittelwertbildung oder Oversampling verbessern, so muss er sicherstellen, dass nur Werte abgetastet werden, die weißes Rauschen und kein 1/f-Rauschen enthalten. Allerdings besteht das Problem bei kleineren Geometrien darin, dass sich die Eckfrequenz nach oben verschiebt, und zwar deutlich. Das erklärt, warum digitale Filtertechniken wie Mittelwertbildung oder Oversampling die Systemleistung in Systemen mit hohen 1/f-Eckfrequenzen nicht verbessern. Mitunter können digitale Filtertechniken die Systemleistung sogar verringern.

IC-Layout: Ist der MCU-Prozessorkern auf dem IC neben dem ADC untergebracht, hat das Auswirkungen auf die analoge Leistung.

Der schnell schaltende MCU-Prozessorkern verursacht in der Schaltung Schaltrauschen und Ground Bounce.

Durch Taktsynchronisierung und -verwaltungstechniken lassen sich diese Effekte zwar minimieren, nichtsdestotrotz beeinträchtigen Interaktionen der Peripherals und asynchrone Ereignisse die ADC-Leistung.

Temperatur: Die Temperatur ist eines der größten Probleme für das Analog-Verhalten. Der neben dem ADC platzierte MCU-Prozessorkern verhält sich wie eine variable Temperaturquelle, die von Aktivitäten mit hohen Geschwindigkeiten (heiß) in Standby, Sleep oder Hibernate (nicht so heiß) wechselt. Diese Temperaturänderungen beeinträchtigen elektronische Schaltungen (insbesondere analoge Schaltungen). Zur Sicherung einer vorhersagbaren Eigenschaft trotz Temperaturschwankungen sind zusätzliche Temperaturkompensations-Schaltungen notwendig; das erhöht Größe und Kosten des Systems.

Testkosten: MCUs sind digitale Bausteine, die auf digitalen Testplattformen mit digitalen Testvektoren getestet werden. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, sind diese Testplattformen für das Testen digitaler Parameter in sehr kurzer Zeit optimiert. Sind digitale Testplattformen mit analogen Testmöglichkeiten versehen, sind diese oft begrenzt und leistungsschwach, das heißt, dass die Prüfung der analogen Parameter aufgrund mangelnder Genauigkeit und des Rauschens der Testplattform schwierig ist. Daher werden die Spezifikationen der analogen Peripherals typischerweise mit Aussagen wie »garantiert durch Design« oder »garantiert durch Charakterisierung« angegeben.

Darüber hinaus weisen diese Testsysteme noch weitere Einschränkungen auf:
Sie können oft nur die analoge Funktionalität testen, sind aber oft nicht in der Lage, die analogen Parameter bei verschiedenen Temperaturen genau zu prüfen.
Die Grenzen des Testsystems schränken folglich auch die Leistungsspezifikation des ADC ein - man kann einen Baustein, der mit 1 MSample/s und 12 bit spezifiziert ist, nicht prüfen, wenn das Prüfgerät nur über 100 kSample/s und 8 bit verfügt.
Es ist nicht sinnvoll, eine digitale Testplattform um analoge Präzisionstests zu erweitern. Dies würde die Prüfkosten um eine Größenordnung erhöhen und damit die Kosten für den Baustein verteuern.

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Eigenständige ADCs

Bei einem eigenständigen Wandler ist der ADC die Hauptkomponente und die MCU ein Peripheral, also werden ADC-freundliche Prozesse genutzt, z. B. ein 180-nm-Prozess mit größeren, gut aufeinander abgestimmten Komponenten für den ADC. Damit werden aber auch die digitalen Schaltkreise mithilfe analoger Design- und Layouttechniken realisiert, was eine geringere digitale Schaltungsdichte und damit höhere Kosten und Probleme hinsichtlich der Geschwindigkeit mit sich bringen.
IC-Layout: Ein eigenständiger ADC bietet im Hinblick auf das Rauschmanagement zwei Vorteile gegenüber einem integrierten ADC:

Es sind keine anderen Peripherals auf dem Baustein aktiv, die die analoge Leistung beeinträchtigen.
Das Schaltrauschen lässt sich beherrschen, da kritische Analogfunktionen ausgeführt werden können, während der Takt inaktiv ist.
Temperatur: Auch in diesem Fall ist die Temperatur der schlimmste Feind der Analog-Parameter; dennoch haben eigenständige ADCs Vorteile gegenüber integrierten ADCs:
Es gibt keine zeitlich variierende Temperaturquelle (wie die MCU) neben dem ADC.
Da es sich um einen analogfreundlichen Prozess handelt, lässt sich problemlos eine analoggerechte Temperaturkompensationsschaltung hinzufügen, um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen zu minimieren.
Testkosten: Standalone-ADCs werden auf analogen Testplattformen mit analogen Präzisionsgeräten getestet, was jedoch die Testkosten deutlich erhöht. Anders als bei digitalen Testplattformen, bei denen die Schwankungen zwischen den Testern streng kontrolliert werden, gibt es bei analogen Testplattformen in der Regel große Schwankungen zwischen Lastplatinen, analogen Signalgeneratoren und analogen Messsystemen. Tendenziell erhöht dies die Prüfkosten, da eine Kalibrierung notwendig ist. Um die Leistung analoger Schaltungen über die Temperatur hinweg zu gewährleisten, ist bei Kompensationstechniken für analoge Schaltungen häufig eine Temperaturkorrektur in der Endprüfung erforderlich, um eine geringe Temperaturdrift zu garantieren.