Nie groß genug
Signal-Rausch-Abstand von A/D-Umsetzern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Was entscheidet über das thermische Rauschen eines ADU?
Das Eigenrauschen eines ADU setzt sich aus drei verschiedenen Komponenten zusammen: dem Quantisierungsrauschen, dem thermischen Rauschen und dem Takt-Jitter.
Der Einfluss des Quantisierungsrauschens – dieses resultiert aus dem Rundungsfehler des LSB – ist in der Regel sehr gering, wenn der Schaltungsentwickler die Ausgangsauflösung des ADU entsprechend groß wählt. Zum Beispiel beträgt das Quantisierungsrauschen bei einer Ausgangsauflösung von 16 bit: (16 · 6,02 + 1,76) dB ≈ –98 dB bei Vollaussteuerung. Damit hat das Quantisierungsrauschen nur einen minimalen Einfluss auf den SNR eines 16-bit-ADU.
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Der Takt-Jitter wirkt sich hauptsächlich auf den SNR eines ADU bei Eingangssignalen mit höheren Frequenzen und voller Signalstärke aus. Die Empfindlichkeit wird dagegen häufig mit einem kleineren Eingangssignal gemessen, bei dem das vom Takt-Jitter hervorgerufene Rauschen nicht von Belang ist. Somit wird das Eigenrauschen eines ADU ausschließlich vom thermischen Rauschen bestimmt. In einem schnellen Pipeline-ADU mit geschalteten Kondensatoren im Eingang wird das thermische Rauschen vorrangig durch die Abtastschaltung in der ersten Stufe limitiert (Bild 3). Diese Abtastschaltung tastet das Eingangssignal ab und hält es konstant, während der Flash-A/D-Umsetzer das Eingangssignal zu den ersten n Bits quantisiert. Dieses n-Bit-Resultat wird anschließend von dem n-Bit-D/A-Umsetzer (DAU) wieder in ein analoges Signal umgesetzt und vom Eingangssignal subtrahiert. Die Differenz wird der zweiten Pipeline-Stufe zugeführt. In einem stark vereinfachten Modell lassen sich das thermische Rauschen und der SNR des ADU mit den Gleichungen 2 und 3 berechnen.
Zunächst wird der quadratische Mittelwert der auf das thermische Rauschen der Abtastschaltung zurückzuführenden Spannung UR berechnet:
Der SNR des ADU wird wie folgt berechnet:
Hieraus ist zu erkennen, dass das thermische Rauschen des ADU theoretisch nur von ganz wenigen Größen abhängt:
- Aussteuerungsbereich des Eingangs Je größer der Signalbereich des Eingangs, umso größer ist der SNR. Bei modernen Umsetzern besteht jedoch ein Trend zur Verwendung fortschrittlicherer CMOS-Prozesse mit niedrigeren Spannungen, was den Aussteuerungsbereich reduziert. Ein größerer Signalbereich lässt außerdem die Verzerrungen in der Abtastschaltung ansteigen.
- Größe des Abtastkondensators Ein größerer Abtastkondensator erhöht zwar den SNR, lässt aber auch die Belastung der Schaltung ansteigen, die diese größere Last ansteuern muss. Außerdem reduziert ein größerer Kondensator die Eingangsbandbreite. Umsetzer, die für die direkte Digitalisierung von HF-Signalen vorgesehen sind, haben prinzipbedingt einen niedrigeren SNR, um eine höhere Eingangsbandbreite zu erzielen. Eine geringere Eingangsbandbreite führt zu längeren Einschwingzeiten. Dies wiederum lässt die Signalerfassungszeit ansteigen und hat damit Auswirkungen auf die maximale Abtastrate des ADU.
- Temperatur Je höher die Chiptemperatur ist, umso kleiner wird der SNR. Da die Temperaturen jedoch in Kelvin angegeben sind, reduziert eine Erwärmung von Zimmertemperatur (290 K) auf 85 °C (360 K) den SNR nur um ungefähr 1 dB.
Es gibt noch weitere Faktoren, die das thermische Rauschen des ADU negativ beeinflussen können. Unter anderem beeinträchtigen die nachfolgenden Pipeline-Stufen den SNR um ca. 1 dB. Einige ADUs sind mit einem eingebauten Eingangspuffer ausgestattet, der einen ähnlichen Rauschbeitrag liefert wie etwaige Pufferverstärker. Auch der Verstärker für den Rest trägt mehrere Dezibel zum Rauschen bei.
Literatur
[1] ADS54J60 Dual-Channel, 16-Bit, 1.0-GSPS Analog-to-Digital Converter. Texas Instruments, www.ti.com/lit/ds/symlink/ads54j60.pdf.
[2] Neu, T.: Direct RF conversion: From vision to reality. Texas Instruments, Mai 2015, www.ti.com/lit/wp/slyy068/slyy068.pdf.
[3] High-Speed Data Converter Forum der E2E-Community von TI, e2e.ti.com/support/data_converters/high_speed_data_converters/f/68.
Der Autor
| Thomas Neu |
|---|
| gehört als Systems Engineer der High-Speed Data Converters Group von TI an und ist für den Applikations-Support zuständig. Er absolvierte ein Elektrotechnik-Studium an der Johns Hopkins University in Baltimore (Maryland/USA) mit einem Masterabschluss. |
asktexas@ti.com
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