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Ursachen von Jitterproblemen

Praktische Tipps gegen Taktjitter für Sigma-Delta-ADUs

25. Juni 2019, 00:30 Uhr   |  Pawel Czapor

Praktische Tipps gegen Taktjitter für Sigma-Delta-ADUs
© Stellan Dangst - Shutterstock

Praktische Tipps für Sigma-Delta-AD-Umsetzer: Hilfe gegen Taktjitter.

Nur zu wissen, wie Taktsignale zu Problemen bei AD-Umsetzern führen können, hilft wenig. Um ein System zu bauen, dass Jitter minimiert, eignen sich verschiedene Techniken. Sie werden nachfolgend genauer untersucht.

Eine qualitativ hochwertige Taktquelle liefert ein Signal mit sehr kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten. Dies hat den Vorteil, dass Jitter während der Übergangszeit reduziert wird. Leider kommen mit dem Vorteil der steilen Flanken ziemlich strenge Anforderungen an die Leiterbahnführung und den exakten Leitungsabschluss.

Ist die Taktleitung nicht exakt abgeschlossen, werden Wellen reflektiert und die Reflexionen addieren sich zum ursprünglichen Taktsignal hinzu. Dies ist sehr störend und zugehörige Jitterpegel können leicht zu einigen hundert Pikosekunden Verzögerung beitragen.

Arten der Taktzüführung.
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Bild 1. Schlechte, bessere und optimierte Schaltungen (in absteigender Folge) für die Taktzuführung.

In Extremfällen kann der Empfänger des Taktsignals sogar zusätzliche Flanken erkennen, was potenziell dazu führen kann Schaltungen zu blockieren.

Eine der Methoden, die nicht intuitiv sein muss, ist es, die Flanken mit einem RC-Tiefpass zu verzögern und damit den Hochfrequenzanteil zu entfernen (Bild 1).

Um die die Wartezeit bis zur Lieferung einer neuen Leiterplatte mit 50-Ω-Leiterbahnen und -Abschlüssen zu überbrücken, kann auch eine Sinuswelle als Takt eingesetzt werden. Da der Übergang relativ langsam ist und das Tastverhältnis der Hysterese am digitalen Eingang versetzt werden kann, reduziert dies den Reflexionsanteil des Jitters.

Rauschen der Stromversorgung

Wo Rauschen stört.
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Bild 2. Die Abtastzeit in einem AD-Umsetzer wird durch Rauschen gestört, das von den unterschiedlichen Stromversorgungskreisen in der Versorgungsspannung für den Digitalteil (DVDD), der Betriebsspannung für den Analogteil (AVDD) und zwischen den beiden Masseflächen für Analog (AGND) und Digital (DGND) hervorgerufen wird.

Ein digitales Taktsignal kann innerhalb des Analog-Digital-Umsetzers über eine Vielzahl von Pufferverstärkern und/oder Pegelumsetzer geführt werden, bevor die Taktflanke am Abtastschalter ankommt.

Hat der AD-Umsetzer analoge Stromversorgungsanschlüsse, werden Pegelumsetzer eingesetzt, die als Jitterquelle agieren können.

Allgemein enthält die analoge Seite eines ADUs Schaltungsblöcke mit höherer Spannung und längeren Umschaltzeiten, wodurch die Empfindlichkeit für Jitter ansteigt (Bild 2).

Deshalb erfolgt in modernen ADU-ICs eine weitere Trennung in der analogen Stromversorgung zwischen getakteten und linearen Schaltungsblöcken auf der Leiterplatte.

Entkoppelkondensator: Den richtigen wählen

Anordnung der Stromversorgungsanschlüsse bei ICs.
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Bild 3. Typische Anordnung der Stromversorgungsanschlüsse bei ICs - für eine lineare (links) und eine getaktete Schaltung (rechts).

Ungünstige und günstige Leiterbahnführung.
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Bild 4. Ungünstige (links) und günstige (rechts) Leiterbahnführung und Platzierung des Entkoppelkondensators am IC zum mindern von Jitter.

Jitter, der vom Rauschen der Stromversorgung herrührt, wird je nach Qualität der Entkopplung reduziert oder verstärkt. Einige der Σ-Δ-Modulatoren können starke digitale Aktivitäten auf der analogen und digitalen Seite haben. Dies kann zu nicht charakteristischen Störpulsen (spurs) mit einer Abhängigkeit vom Signal oder den digitalen Daten führen.

Das Einbringen hochfrequenter Ladungsanteile sollte auf eine kurze Schleife Nahe des ICs begrenzt bleiben. Um die kürzesten Bonddrähte zu erzielen, nutzen gute IC-Entwickler zentrale Pins auf der Längsseite des Chips (Bild 3). Diese Einschränkungen sind keine allgemeinen Probleme für Verstärker- und niederfrequente ICs, die an den die Pinsfür Betriebsspannung und Masse haben können, wie links in Bild 3 gezeigt. Im Leiterplattendesign sollten Entwickler die Vorteile der Anordnung mit kurzen Bonddrähten (Bild 3 rechts) nutzen und qualitativ hochwertige Kondensatoren nahe an den Pins verwenden (Bild 4).

Taktteiler und Taktsignalkoppler

Hochfrequente Taktsignale haben geringeren Jitter. Deshalb kann sich, wenn es die Stromversorgungseinschränkungen erlauben, der Einsatz von externen und internen Teilern zur Erzeugung des gewünschten Abtasttakts positiv auswirken. Wird eine Schaltung mit Kopplern entwickelt, sollte ihre Pulsweite untersucht werden.

Gibt es ein ungeeignetes Tastverhältnis, kann der Versatz (skew) die Leistungsfähigkeit des Analogteils beeinträchtigen und in extremen Fällen die digitale Seite eines ICs blockieren. Bei Präzisions-AD-Umsetzern braucht es nicht unbedingt einen Glasfasertakt, aber die Verwendung höherer Frequenzen kann die Leistungsfähigkeit entscheidend verbessern.

Blockschaltung des ADUs AD9573 von Analog Devices.
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Bild 5. Blockschaltung des ADUs AD9573 von Analog Devices mit internem Taktgenerator. Über Teiler werden aus dem 2,5-GHz-Signal Taktsignale mit 33 MHz und 100 MHz erzeugt.

In Bild 5 nutzt der AD9573 von Analog Devices aus denselben Gründen den internen 2,5-GHz-Takt, nur um saubere Taktsignale mit 33 MHz und 100 MHz zu liefern.

Gibt es keine Notwendigkeit für eine präzise Synchronisierung zwischen AD-Umsetzern, kann die Quarzschaltung mit Jitter im einstelligen Pikosekundenbereich sehr robust sein.

Bei Präzisions-AD-Umsetzern kann der Quarzverstärker bei einem 100-kHz-Eingang die Leistung um mehr als 22 bit verbessern. Diese Leistungsfähigkeit lässt sich nur schwer übertreffen und erklärt, warum Quarz-Oszillatoren auch in nächster Zukunft eingesetzt werden.

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1. Praktische Tipps gegen Taktjitter für Sigma-Delta-ADUs
2. Übersprechen aus anderen Signalquellen
3. Übersicht der Bilder

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