A/D-Wandler
Wandlung extrem
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ultraschnelle Zusatz-Schaltungen
Wenn das hohe Leistungs-Niveau im praktischen Betrieb tatsächlich erreicht werden soll, muss sichergestellt sein, dass die zusätzlichen Schaltungen die gleiche Leistungsfähigkeit aufweisen wie der Wandler selbst. Hier einige wichtige Elemente dieser unterstützenden Schaltungen:
- Leistungsfähige, jitterarme Taktquelle.
- Sehr lineare, rauscharme Verstärker oder Symmetrieübertrager zum Ansteuern der Eingänge.
- Schnelle FPGA- oder ASIC-Technologie zum Erfassen und Verarbeiten der mit Gbit/s-Raten ankommenden Daten.
Zu den wichtigsten Schaltungsteilen eines Datenwandlersystems gehört die Taktquelle, denn es besteht ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Präzision des Taktsignals und der Dynamik des Wandlers. Jitter und Phasenrauschen der Taktquelle müssen zu allen Zeiten sehr gering sein. Exakt identische Zeitspannen zwischen den Signalflanken gibt es nur bei einem idealen Takt. In der Praxis dagegen variieren diese Intervalle geringfügig. Als Folge dieser zeitlichen Unsicherheit kann der Signal- Rausch-Abstand eines abgetasteten Signalverlaufs beeinträchtigt werden.
Je größer die zeitliche Unsicherheit bzw. der Jitter ist, um so gravierender sind die Auswirkungen auf das Eigenrauschen des Wandlers und damit auf den Signal-Rausch-Abstand. Oberschwingungen des Abtast-Takts mischen sich außerdem mit dem analogen Eingangssignal, was zu einer Verschlechterung des IMD-Wertes (Inter Modulation Distortion, Intermodulationsverzerrungen) und des NPR (Noise Power Ratio, Rauschleistungsverhältnis) führt. Aus diesem Grund wird eine jitterarme Taktquelle mit einwandfreiem Rauschverhalten benötigt.
Wird die Eingangsspannung Uein pp so optimiert, dass sie genau dem vollen Eingangsbereich des Wandlers (Uein FSR) entspricht, wird der Jitter nur noch vom Eigenrauschen des Wandlers und der Frequenz des abgetasteten Eingangssignals fein bestimmt. Welcher Jitter zulässig ist, um eine bestimmte Rausch-Spezifikation zu erfüllen, lässt sich wie folgt ausrechnen, wenn man davon ausgeht, dass das gesamte Nyquist-Band genutzt wird (in diesem Fall entspricht der Signal- Rausch-Abstand dem über das Nyquist-Band integrierten Eigenrauschen des A/D-Wandlers):
Bei Eingangsfrequenzen bis zur Nyquist-Frequenz (900 MHz bei einer Umwandlungsrate von 1,8 GSPS) darf der Jitter für einen SNR von 60 dB maximal 180 fs betragen. Dieser extrem geringe Jitter lässt sich mit dem Frequenz-Synthesizer LMX2541 und einem passenden Referenz-Oszillator oder mit einem Baustein der LMK04000-Familie von National Semiconductor bis zu einer maximalen Abtastrate von 1,0 GSPS erreichen. Die Eigenschaften beider Lösungen in Bezug auf die harmonischen Verzerrungen beeinträchtigen die dynamische Leistung des Wandlers nicht.
Für die analoge Eingangsschaltung muss nur zwischen zwei Bauelementen gewählt werden – einem breitbandigen Differenzverstärker und einem Symmetrieübertrager, denn die analogen Eingänge müssen differenziell angesteuert werden, um die Dynamik zu optimieren. Als passive Bauelemente nehmen Symmetrieübertrager keinen Strom auf. Ein- und Ausgangsleistung sind identisch, wenn man von geringfügigen Wicklungsverlusten absieht. Aus der Tatsache, dass es sich um passive Bauelemente handelt, resultiert auch das – verglichen mit Differenzverstärkern – generell niedrigere Verzerrungsaufkommen.
Allerdings gestaltet es sich mit einem Übertrager schwieriger, die Verstärkung des Signalpfades zu verändern und gleichzeitig die Impedanzanpassung an den Wandler-Eingang aufrechtzuerhalten. Außerdem kommt es bei Übertragern tendenziell eher zu Verstärkungs- und Phasen-Fehlanpassungen als bei leistungsfähigen Differenzverstärkern. Ein Verstärker kann eine hohe fest eingestellte oder variable Verstärkung bieten, für DC-Kopplung sorgen und den Wandler-Eingang schützen. Ein Verstärker mit einer Klemmfunktion am Ausgang kann sehr sinnvoll sein, wenn eine Übersteuerung der analogen Eingänge verhindert werden soll. Die Verwendung einer schnellen Klemmdiode am Übertragerausgang ist demgegenüber oft nicht akzeptabel, da deren zusätzliche Kapazität die Signalbandbreite und die Dynamik beeinträchtigt.
Die maximale differenzielle Eingangsspannung des ADC12D1800 beträgt 0,8 Vpp. Dieser relativ kleine Spannungsbereich ist, auch wenn dies auf den ersten Blick nicht so erscheinen mag, sogar ein Pluspunkt. Bei anderen ultraschnellen A/D-Wandlern versucht man, mit großen Eingangsspannungsbereichen (Uein FSR > 2 Vpp) den SNR zu maximieren. Dies erscheint theoretisch sinnvoll, doch ist es in der Praxis sehr schwierig, ein hochfrequentes Signal von 2 Vpp mit geringen Verzerrungen durch einen Symmetrieübertrager oder einen Differenzverstärker zu bekommen. Amplituden- und Phasengleichlauf im Verstärker oder Symmetrieübertrager leiden mit zunehmender Amplitude – besonders bei höheren Signalfrequenzen –, und auch die harmonischen und nichtharmonischen Verzerrungen werden in der Treiberschaltung bei höheren Amplituden stärker.
Hinzu kommt, dass der von der Taktquelle verlangte Jitter vom Verhältnis zwischen Uein pp und Uein FSR bestimmt wird. Deshalb erhöhen sich die Anforderungen an den Taktgenerator, wenn zur Kompensation großer Uein FSR-Werte die analogen Eingänge mit weniger als Uein FSR angesteuert werden, um das Verzerrungsverhalten des Verstärkers oder Symmetrieübertragers zu optimieren.
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