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ADU-Schaltungen für hohe Ansprüche

Intermodulationseffekte des Taktsignals eindämmen

06. September 2021, 09:00 Uhr   |  Ryan Andrews

Intermodulationseffekte des Taktsignals eindämmen
© luchschenF – shutterstock.com

Taktquellen und andere schaltende Elemente können Intermodulationseffekte erzeugen und die Messgenauigkeit von ADU-Schaltungen negativ beeinflussen. Doch es gibt Techniken für das Leiterplatten-Layout und für den Aufbau von Testschaltungen im Labor, um die Auswirkungen zu minimieren.

Mixed-Signal-Leiterplatten für Anwendungen mit hohen Anforderungen, z.B. in Testsystemen mit mehreren Kanälen zur Signalerfassung, bringen ganz besondere Herausforderungen mit sich. Nichtlineare Elemente in den Signalverarbeitungsstufen führen nämlich zur Entstehung unerwünschter Oberschwingungen, wodurch sich der Oberschwingungsgehalt des Eingangssignals vergrößert. Darüber hinaus erzeugen mehrere schaltende Elemente Intermodulationsprodukte, die als Störsignal im Spektrum erscheinen und die asynchron zu den interessierenden Signalen sind. Die von diesen nichtidealen Verhältnissen hervorgerufene Verschlechterung des Rausch- und Verzerrungsverhaltens kann die Leistungsfähigkeit von Analog/Digital-Umsetzerschaltungen, die hohe Auflösung mit großer Bandbreite verbinden sollen, entscheidend beeinträchtigen.

Takt-Intermodulationseffekte in Mixed-Signal-Schaltungen

Taktsignale sind Rechteckwellen, die als Zeitintervall-Referenz für viele integrierte Schaltungen, und zwar insbesondere für A/D-Umsetzer, Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren dienen. Im Gegensatz zur idealen Sinuswelle, die nur aus einer einzigen Grundschwingung besteht und keinerlei Oberschwingungen aufweist, enthält eine ideale Rechteckwelle eine unendlich große Anzahl energiereicher Oberschwingungs-Komponenten, die durch die Fourier-Reihe in Gleichung 1 ausgedrückt werden:

     (1)

Das Frequenzspektrum einer idealen Taktquelle (ideale Rechteckwelle) mit einem Tastverhältnis von 50 % ist in Bild 1 wiedergegeben.

Frequenzspektrum einer idealen Rechteckwelle
© Texas Instruments

Bild 1. Im Frequenzspektrum einer idealen Rechteckwelle finden sich sämtliche ungeradzahligen Oberschwingungen.

Die stärkste Frequenz des Spektrums entspricht der Grundschwingung (f), neben der es eine Vielzahl ungeradzahliger Oberschwingungen (3f, 5f, 7f usw.) gibt.

In vielen Anwendungen für präzise A/D-Umsetzer fallen diese hochfrequenten Oberschwingungen aus dem Bereich der interessierenden Signalbandbreite heraus und wirken sich somit nicht oder nur wenig auf die Messgenauigkeit aus. Die meisten Mixed-Signal-Schaltungen enthalten allerdings mindestens zwei voneinander unabhängige Signalquellen, nämlich eine für den A/D-Umsetzer und eine für den Mikrocontroller oder den DSP. Darüber hinaus kann es im System weitere Taktquellen für digitale Schnittstellen, ergänzende Peripherieschaltungen oder weitere A/D-Umsetzer geben. Jede dieser Taktquellen hat ihre eigene Grundschwingung und eine unendlich große Zahl von Oberschwingungen. Mit großer Wahrscheinlichkeit werden diese Taktquellen außerdem von derselben Stromversorgung gespeist oder liegen an einer gemeinsamen Masse, und mechanische Restriktionen der Leiterplatte lassen es möglicherweise nicht zu, diese Taktquellen im Interesse einer minimalen Kopplung voneinander zu isolieren. Liegen zwei oder mehr dieser Grund- oder Oberschwingungen nahe beieinander, können sie im Durchlassband des ADU ein Störsignal erzeugen, das als Intermodulationsprodukt bezeichnet wird.

Existieren zwei unabhängige Taktquellen mit den Frequenzen fa und fb, so treten die Intermodulationsprodukte bei deterministischen Frequenzen auf, die durch Gleichung 2 ausgedrückt werden:

M space f subscript a plus-or-minus space N space f subscript b     (2)

Darin können fa und fb für die Grund- oder Oberschwingungsfrequenzen der Taktquellen stehen, während für M und N ganze Zahlen von 0, 1, 2 usw. einzusetzen sind.

Intermodulationen der Grundschwingungen fa und fb
© Texas Instruments

Bild 2. Zu den von den beiden Grundschwingungen fa und fb erzeugten Intermodulationen gehören auch Intermodulationsprodukte aus den Oberschwingungen.

Bild 2 macht deutlich, dass Intermodulationsprodukte nicht nur zwischen den Grundschwingungen der Taktquellen, sondern auch zwischen ihren Oberschwingungen entstehen können.

Dicht nebeneinanderliegende Frequenzen können Intermodulationsprodukte erzeugen, die direkt in das Ausgangsspektrum des ADU fallen. Andere, weiter auseinanderliegende Frequenzen bringen dagegen höherfrequente Intermodulationsprodukte hervor, die potenziell durch Alias-Effekte in das Ausgangsspektrum des ADU gelangen können – abhängig von der Abtastrate und der Schaltung des Anti-Aliasing-Filters. Wenn die Amplitude der Intermodulationsprodukte hinreichend groß ist, ragen sie im Frequenzspektrum aus dem Grundrauschen heraus und beeinträchtigen die Leistung hochpräziser A/D-Umsetzer.

FFT-Diagramm mit Intermodulationsprodukten
© Texas Instruments

Bild 3. Im FFT-Diagramm sind die von den Taktfrequenzen des ADU und des DSP erzeugten Intermodulationsprodukte deutlich erkennbar.

Um die Auswirkungen von Intermodulationsprodukten zu demonstrieren, wurden Messungen an einer Evaluationsplatine mit einem leistungsfähigen 24-bit-Delta-Sigma-ADU durchgeführt. Bild 3 gibt das Frequenzspektrum wieder, das mithilfe einer schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform – FFT) der ADU-Ausgangsdaten berechnet wurde.

In dem Versuchsaufbau kommen zwei unabhängige Taktquellen zum Einsatz: ein 12-MHz-Takt für den DSP und ein Takt von 11,997 MHz für den ADU. Diese Frequenzen wurden für dieses Beispiel absichtlich gewählt, um Intermodulationsprodukte bei ganzzahligen Vielfachen von 3 kHz zu erzeugen, die direkt in die Ausgangsbandbreite des ADU fallen. Eine galvanische Isolation der beiden Taktquellen scheidet wegen der gemeinsamen Massefläche aus.

Techniken zur Synchronisation der Taktquellen

Eine Möglichkeit, die Entstehung von Intermodulationsprodukten in einer Mixed-Signal-Schaltung zu minimieren, ist die Wahl von Taktfrequenzen und schaltenden Komponenten, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache voneinander sind. Leider weisen reale Bauelemente jedoch eine gewisse Frequenztoleranz und eine Zeit- und Temperaturdrift auf. Die daraus resultierenden Frequenzschwankungen aber führen unweigerlich zur Entstehung der gerade beschriebenen Intermodulationseffekte.

In einem exemplarischen System mit einem ADU-Takt von 16 MHz und einem DSP-Takt von 64 MHz fällt der Großteil des Oberschwingungsgehalts auf dieselben Frequenzen. Jegliche Intermodulationsprodukte, die aus der Kopplung der Grundschwingung und der ersten Oberschwingungen des ADU-Takts mit der Grundschwingung des DSP-Takts resultieren, fallen auf Frequenzen von 16 MHz und höher. Die vierte Oberschwingung des ADU-Takts tritt genau bei 64 MHz auf, also der Frequenz des DSP-Takts.

FFT-Diagramm mit Leck-Effekt
© Texas Instruments

Bild 4. Niederfrequente Intermodulationsprodukte in der Nähe von 0 Hz. Dieser Fehler wird als Leck-Effekt (spectral leakage) bezeichnet.

Da die beiden Taktquellen aber unabhängig voneinander sind und geringfügige Toleranzen aufweisen, erzeugen sie Intermodulationsprodukte bei deutlich niedrigeren Frequenzen in der Nähe von 0 Hz. Bild 4 verdeutlicht dieses Konzept anhand des Frequenzspektrums eines ADU mit einer Gleichspannung am Eingang.

In Bild 4 ist außerdem ein weiteres Konzept erkennbar, das als Leck-Effekt (spectral leakage) bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um einen mathematischen Fehler infolge der FFT-Operation. In Fällen, in denen die Störsignalanteile kein ganzzahliges Vielfaches der FFT-Frequenzauflösung ist, müssen benachbarte Frequenz-Bins benutzt werden, um die gesamte Signalleistung wiederzugeben. Dies ist die Ursache für den Skirting-Effekt, d.h. die Sockelbildung um die niederfrequenten Intermodulationsprodukte in Bild 4. Intermodulationsprodukte können somit ungünstige Auswirkungen auf ADU-Schaltungen haben, die DC-Signale und Signale mit geringer Bandbreite präzise erfassen sollen.

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1. Intermodulationseffekte des Taktsignals eindämmen
2. Auswirkungen von Takt-Intermodulation und Leck-Effekt eindämmen

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