Analog-Mixed-Signal
Rauscharmer Verstärker für einen A/D-Wandler
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auslegung des Bandpass-Zwischenfilters
Das Filter muss folgende Eigenschaften aufweisen:
- Minimale Einfügungsdämpfung zwischen Verstärker und A/D-Wandler,
- ausreichend hohe differenzielle Eingangsimpedanz im Durchlassbereich,
- die angestrebte flache Filterkurve,
- „gute” Quellenimpedanz für den A/D-Wandler,
- die Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers wird wesentlich von externen Bauelementen bestimmt,
- Einführung einer Gleichtakt-Spannungssteuerung (Ucm) des A/D-Wandlers als Teil des Filter-Designs, unabhängig von der Taktfrequenz.
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Die nach mehreren Iterationen erhaltene Simulation der Filterauslegung zeigt Bild 3. Die Schlüsselanforderungen nach Bild 3 umfassen:
- Eingangsmodell des A/D-Wandlers mit RC-Impedanz und Gleichtaktstrom bei 250 MS/s,
- internes Gleichtaktspannungs-Modell (Ucm) des A/D-Wandlers als Teil der Schaltung zur Ucm-Einstellung,
- geschätzte/vorgeschlagene Komponenten-Toleranzen.
Die in der Schaltung angegebenen Spannungen stammen aus einer Simulation, basierend auf Nominalwerten. Die einfache Ersatzspannungsquelle zur Vcm-Einstellung liefert 1,36 V an den Mittelanzapfungen der Filterwiderstände.
Dies verringert sich am Eingang des A/D-Wandlers infolge der Gleichtaktströme (Icm) auf etwa 0,975 V. Die Simulation des AC-Verhaltens ist in Bild 4 dargestellt.
Betrachtet man die Punkte, an denen die IM2-Kurven im Sinne der angestrebten 10-MHz-Bandbreite um die Mittenfrequenz von 70 MHz (meist per SAW-Filter vor dieser Stufe eingestellt) abfallen, dann lässt sich erkennen, dass diese Filterauslegung bei 10 MHz eine Dämpfung von etwa 60 dB erreicht. Bei 140 MHz sind es 30 dBc.
Das erscheint adäquat zur Unterdrückung der in Bild 2 gezeigten höheren IM2-Anteile im FFT-Test. In der Bandmitte ist die Dämpfung lediglich -1,5 dB, bei nominal flachem Verlauf innerhalb ±0,5 dB über +5 MHz von der Bandmitte bei 70 MHz.
Eine Monte-Carlo-Simulaton mit 500 Läufen mit den in Bild 3 angegebenen Toleranzwerten ergibt die in Bild 5 dargestellte, relativ geringe Toleranz im Durchlassbereich.
Somit sieht dieses Filter-Design recht viel versprechend aus. Es nutzt den signifikanten Vorteil einer großen externen differenziellen Kapazität. Diese wird auf dem fertigen Board entsprechend reduziert, um die vom Modell nicht erfassten parasitären Kapazitäten des Boards und des A/D-Wandlers zu berücksichtigen.
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- Auslegung des Bandpass-Zwischenfilters
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