Fortschritt: selten geradlinig

Neue Wandlerarchitekturen und -techniken

9. September 2022, 8:30 Uhr | Von Gabriele Manganaro
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© Analog Devices/WEKA Fachmedien

Bevor Entwickler die neuen A/D-Wandler genauer betrachten, müssen sie sich dessen bewusst sein, dass ihnen mit einer reinen Fokussierung auf klassische Leistungskennzahlen (FOM) Besonderheit verborgen bleiben. Deshalb lautet die Devise: Genau hinschauen.

Um A/D-Wandler zu beurteilen, greifen Ingenieure häufig auf die Leistungskennzahl nach Schreier zurück. Sie wird in dB/J gemessen (obwohl die Einheit Joule normalerweise weggelassen wird) und mit folgender Gleichung berechnet.

FOMS,hf = SNDR + 10log(BW/P)    (1)

Darin ist SNDR (Signal to Noise and Distortion Ratio) das Signal/Rausch- und Verzerrungsverhältnis in dB für Hochfrequenzeingänge (daher der Index hf bei FOM). P steht für die Leistungsaufnahme in Watt, BW für die Eingangssignalbandbreite in Hz. Im Allgemeinen gilt die Annahme, dass BW gleich der Abtastrate fs geteilt durch das Überabtastverhältnis OSR ist. Mit dieser Definition lassen sich Nyquist-Wandler (mit BW = fs/2) und überabgetastete Wandler miteinander vergleichen. Bild 1 zeigt ein Streudiagramm mit den in den letzten zwanzig Jahren auf den ISSCC- und VLSI-Konferenzen veröffentlichten A/D-Wandlern.

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Bild 1
Bild 1: Das Streudiagramm zeigt die Leistungskennzahlen nach Schreier über die Signalbandbreite. Grundlage dafür sind Publikationen, die zwischen 1997 und 2017 auf ISSCC- und VLSI-Konferenzen vorlagen.
© Analog Devices

Das Streudiagramm fasst die auf den genannten Konferenzen veröffentlichten Wandlerdaten zusammen. Es ist ersichtlich, dass die Mehrzahl der neuen Datenpunkte (gekennzeichnet durch Quadrate und Rauten) A/D-Wandlern mit der höchsten Bandbreite entsprechen, die sich an der gestrichelten Asymptote, der sogenannten Technologiefront, orientieren.

Jahr für Jahr ergibt sich eine ähnliche Verteilung der Datenpunkte, wobei neuere Punkte die gestrichelte Linie hin zu höheren Bandbreiten und Leistungskennzahlen verschieben. Zu erwähnen ist, dass sich nicht aus allen Konferenzbeiträgen höhere Leistungskennzahlen ergeben müssen. Vorausgesetzt wird, dass bedeutende Innovationen in anderen wichtigen Bereichen nachgewiesen werden, wie die wenigen neuen Datenpunkte zeigen, die sich weit entfernt von der gestrichelten Linie befinden.

Obwohl dieses Bild aus Sicht der Energieeffizienz aufschlussreich ist, sollte man es mit Vorsicht verwenden. Denn es gibt Beispiele, die zwar nicht in das Diagramm passen, aber trotzdem überaus innovativ sind. Zum Beispiel, wenn sie Probleme adressieren, die sich mit der Leistungskennzahl widerspiegeln lassen. Hinzu kommt kommt noch, dass viele Unternehmen innovative, in komplexere Systeme eingebettete Hochgeschwindigkeitswandler entwickeln, ohne darüber zu berichten. Dies gilt sowohl für kommerzielle Anwendungen in optischen, leitungsgebundenen und drahtlosen Ultrabreitband-Kommunikationssystemen als auch für Applikationen im Verteidigungsbereich und in der Raumfahrt (es sei darauf hingewiesen, dass es für verteidigungsbezogene Anwendungen spezielle Normen gibt, die Veröffentlichungen ausschließen). Manchmal verwenden Entwickler für diese Anwendungen auch Nicht-CMOS-Technologien wie heterogene oder optische Technologien, welche Signalbänder beherrschen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Größenordnung über der Technologiefront von Bild 1 liegen können. Und manchmal darf die Elektronik so viel Leistung aufnehmen, wie sie benötigt, um anspruchsvolle Leistungsziele zu erreichen.

Außerdem gibt es viele relevante Wandlerinnovationen für Schmalbandanwendungen, bei denen es nicht unbedingt um die Optimierung der Leistungskennzahl geht. Jedes Jahr kommen viele beeindruckende A/D-Wandler auf den Markt, die oft als Präzisionswandler (niedrige Bandbreite, hoher Dynamikbereich) bezeichnet werden und wichtige Anwendungsprobleme auf innovative Weise angehen. Berichte über diese Produkte sind jedoch absichtlich selten zu finden, denn die betreffenden Wandler basieren auf proprietären Schaltkreis- und Algorithmustechniken und nutzen spezielle prozesstechnische Möglichkeiten, um eine sehr hohe Linearität bei niedrigem Rauschen zu erreichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leistungskennzahlen nützliche Instrumente sind, sofern sie mit Bedacht eingesetzt werden. Die Wandlungseffizienz ist nur eine Sichtweise für den Fortschritt bei Wandlern.

Wenn die Anforderung einer Anwendung eine Wende auslöst

Trends in Anwendungsbereichen sind wichtige Entwicklungstreiber, aber auch die Signalspezifikationen können sich innerhalb eines Anwendungsspektrums deutlich ändern und Technologieverschiebungen hervorrufen.

Dies gilt beispielsweise für zellulare drahtlose Infrastruktursysteme, die Hochgeschwindigkeitswandler enthalten. Vor etwa sechs Jahren war ein Empfangssignalpfad für eine Mobilfunk-Basisstation (BTS) erforderlich, der Signale auf einem Multi-Carrier-GSM-Kanal mit einer HF-Bandbreite von 75 MHz oder auf einem CDMA-Kanal mit einer Bandbreite von 100 MHz überträgt. Für die BTS-Generation davor waren lediglich 40 MHz erforderlich, während etwa drei Jahre später eine BTS-Nachfolgegeneration eine Bandbreite von 200 MHz benötigte. Bei 5G-Systemen ist man sich heute einig, dass die Basisstationen in der Lage sein müssen, HF-Bänder mit einer Bandbreite von 1 bis 1,2 GHz zu verarbeiten.

Wenn also ein A/D-Wandler zur Digitalisierung des Basisbandes in einem Homodyn-Empfangssystem zum Einsatz kommt, müsste sich dessen Abtastrate beim Übergang von der 40- zur 100-MHz-Generation ungefähr verdoppeln. Für die 200-MHz-Generation wäre eine erneute Verdopplung der Abtastrate erforderlich.

Die nachfolgende A/D-Wandler-Generation benötigte jedoch eine fünf- bis sechsmal höhere Abtastrate als ihre Vorgängerin, um Signale in einem 1 bis 1,2-GHz-Band zu übertragen. Während in den ersten Generationen ein Wechsel der Prozesstechnologie für nahezu dieselbe A/D-Wandler-Architektur die Anforderungen erfüllen konnte, ist im letzten Fall eine wesentliche Änderung der Architektur unabdingbar. Im selben Anwendungsbereich können die Wandleranforderungen sogar noch weniger linear verlaufen als im obigen Beispiel.

Betrachtet man beispielsweise das Heterodyn-Empfangsverfahren. Hier kann der A/D-Wandler dazu dienen, um den gewünschten Kommunikationskanal mit Band-BW, aber zentriert auf eine Zwischenfrequenz fZF, zu digitalisieren, anstatt im Basisband/Null-ZF. In der Generation der Systeme mit einer Bandbreite von 100 MHz wurde die Zwischenfrequenz üblicherweise zwischen 150 und 350 MHz gewählt. In der Generation der 200-MHz-Systeme wurde bei einigen BTS-Designs die fZF auf eine etwas höhere Frequenz verschoben. Auch hier bedeutet eine Verdopplung der Abtastrate eine große Herausforderung, die aber die gewählte Wandlerarchitektur nicht unbedingt beeinträchtigt.

In einigen neueren Fällen haben sich die Anforderungen an A/D-Wandler erhöht und es gilt, eingangsseitig wesentlich höhere Frequenzen zu beherrschen. Und zwar wird die HF/ZF-Abwärtswandlung vom analogen Bereich vor dem A/D-Wandler in den digitalen Bereich direkt nach der Digitalisierung verlegt. Mit anderen Worten gesagt, liegt das 200-MHz-Breitbandsignal, welches der A/D-Wandler abtasten muss, nicht mehr bei ein paar hundert Megahertz, sondern bei einigen GHz. Obwohl eine Unterabtastung möglich ist, muss für die Erfassung das erste Nyquist-Band verwendet werden.

Bei der 5G-Mobilfunkkommunikation unterscheidet man zwischen Sub-6-GHz-Systemen, bei denen der Betrieb auf Frequenzen unter der Marke von 6 GHz erfolgt, und Millimeterwellensystemen, die mit Frequenzen zwischen 29 und 32 GHz arbeiten.

Wenn beispielsweise ein A/D-Wandler mit 10 bis 12 GSample/s als HF-Digitalisierer im Empfangspfad eines Sub-6GHz-Systems verwendet werden könnte, könnte sich eine Verdopplung von fS auf 20 bis 24 GSample/s vorteilhaft auf die zu verarbeitenden Verstärkung und die Anforderungen an die analoge Filterung auswirken. Millimeterwellensysteme erfordern hingegen einen völlig anderen Ansatz.

Die Effizienz der zu verarbeitenden Leistung ist sicher wichtig (Leistungskennzahl). Darüber hinaus spielen die Anforderungen an die Baugröße und das Gewicht der Elektronik eine bedeutende Rolle für das Systemdesign. Dies gilt bis hinunter zu den eingesetzten Wandlern.

Wandlerarchitekturen, die Bauteile mit kleinen Abmessungen ermöglichen, auf Nanometer-Prozesstechnologien basieren, gut skalierbar sind und es gestatten, eine große Anzahl von Kanälen zu integrieren, sind bei Anwendern beliebt. Dazu gehören Architekturen für klassische SAR-A/D-Wandler sowie völlig neue Wandlerklassen, darunter die im Folgenden erläuterten Zeit/Digital- und Digital/Zeit-Wandler.


  1. Neue Wandlerarchitekturen und -techniken
  2. Technologischer Durchbruch bei Wandlern als Enabler
  3. TDC und DTC (Zeit/Digital- und Digital/Zeit-Wandler)
  4. »Compressive Sampling«-A/D-Wandler

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