Continuous-Time-Delta/Sigma-Wandler (CT-DS-ADC) sind zwar bei Entwicklern beliebt, eigneten sich bisher aber nur für relativ niedrige Frequenzen, kleine Bandbreiten und geringe Dynamikbereiche. Als Mainstream-Lösung für Anwendungen mit hoher Leistungsfähigkeit und hohen Frequenzen sind daher leistungsfähige Nyquist-Rate-Wandler üblich, etwa Pipeline- und SAR-ADCs (Successive Approximation). Analog Devices hat nun viele der technologischen Einschränkungen überwunden: neue, schnelle ADCs auf CT-DS-Basis erreichen eine wesentlich höhere Leistung sowie Stabilität bei starken Interferenzen. Außerdem lassen sich Frequenzverläufe programmieren, womit sich in Systemen für die Mobilfunk-Infrastruktur und einigen hochleistungsfähigen Messtechnik-Anwendungen eine Reihe wichtiger Probleme hinsichtlich der Signalverarbeitung lösen lassen.
Bild 1: Eine klassische heterodyne Empfangssignalkette für ein Kommunikationssystem, implementiert mit (a) einem herkömmlichen Konzept mit Nyquist-Rate-Switched-Capacitor-ADC und (b) mit einem Continuous-Time-Delta/Sigma-ADC.Analog Devices
Zum besseren Verständnis stelle man sich zum Beispiel eine klassische heterodyne Empfangssignalkette für ein Kommunikationssystem vor (Bild 1). Ein herkömmliches Konzept mit einem schnellen Switched-Capacitor-A/D-Wandler zeigt Bild 1a. Hier muss das vom Mischer erzeugte ZF-Signal gepuffert und eventuell auch mit einem Treiberverstärker angehoben werden. Der Nyquist-ADC benötigt einen Antialiasing-Filter (AAF), der meist mit einem Oberflächenwellenfilter (Surface Acustic Wave, SAW) oder einem mehrpoligen diskreten SMD-Filter implementiert wird. Abschließend erreicht das gewünschte ZF-Funksignal den ADC. Das Ausgangssignal mit der hohen Abtastrate fs (wobei fs/2 wesentlich größer als die Träger/ZF-Frequenz ist) wird mithilfe eines für die Kommunikation entwickelten ASICs weiter verarbeitet, eventuell noch gefiltert und auf das Basisband heruntergewandelt.
Messung
Die Rauschbandbreite in Bild 2 beträgt 366,2 kHz. Der DS führt eine Frequenzformung des Wandlungs-Quantisierungsrauschens durch, sodass es gering ausfällt (höherer Dynamikbereich) und innerhalb des relevanten Durchlassbands liegt (während seine Leistung außerhalb des Bandes höher ist). Die Kerbe (Notch) der Bandpass-Frequenzcharakteristik ist im oberen Plot klar sichtbar (zentriert um 1 GHz und 75 MHz breit). Die überlagerte rot gestrichelte Linie repräsentiert die korrespondierende Signalübertragungscharakteristik mit sichtbarer Flachheit weit über das gewünschte Eingangsband. Der untere Plot zeigt ein vergrößert dargestelltes Detail des 75 MHz breiten In-Bands. Letzteres wird anschließend digital und mit sehr hoher Selektivität gefiltert und hinunter auf das Basisband gewandelt, bevor es an den Ausgang des CT DS zurückgeführt wird. Dabei wird der Inhalt außerhalb des relevanten Bandes (Out-of-Band) – einschließlich des höheren Grundrauschens, der Verzerrungen außerhalb des Bandes sowie der Out-of-Band-Blocker rechts und links des 75 MHz breiten Bandes – unterdrückt.
Bild 2: Experimentell digitalisierter Ausgang (blaue durchgezogene Kurve) eines Bandpass-CT-DS mit einer eingangsseitigen 1-GHz-Schwingung, einer auf 75 MHz eingestellten Bandbreite, zentriert um 1 GHz.Analog Devices
Die gleiche Verarbeitungskette vereinfacht sich mit einem CT-DS (Bild 1b). Der CT-DS weist einen resistiven Eingang auf, der direkt vom Mischer getrieben werden kann und ohne Treiberverstärker auskommt. Darüber hinaus enthält der innere Core des CT-DS einen CT-Analogfilter, der die AAF-Funktion ausführt. Somit kommt man ohne den eingangsseitigen diskreten SAW/SMD-Filter aus. Ferner kann der CT-DS eine Bandpassfilterfrequenzcharakteristik aufweisen (Bild 2 zeigt ein Beispiel tatsächlicher Messungen), die sich um die gewünschte ZF-Eingangsfrequenz zentrieren lässt und eine signifikante Dämpfung außerhalb des Frequenzbands (Out-of-Band) aufweist. Ein solches Durchlassband wird überabgetastet, digitalisiert, digital gefiltert (Dezimationfilter) und hinunter auf das Basisband gemischt, bevor es mit einer wesentlich niedrigeren Datenrate (und mit geringerem Energieverbrauch) als im Fall von Bild 1a an das DSP/ASIC gelangt.
Vorteile der Architektur
Die oben beschriebene Vereinfachung auf Systemebene ist das direkte Ergebnis grundsätzlicher Architekturunterschiede zwischen CT DS und anderen schnellen ADC-Architekturen. Die Vorzüge dieser Vereinfachung sind wesentlich. Der in Bild 1a dargestellte Verstärker kann eine mit dem ADC selbst vergleichbare Leistung aufnehmen, wobei er meist das Grundrauschen der Signalkette zusätzlich negativ beeinträchtigt. Üblicherweise kann der AAF in Bild 1a nicht einfach integriert werden. Bei jeder ZF-Wahl (und jedem Frequenzplan) muss der Entwickler ein geeignetes Filter und eine spezifische Signalkettenimplementierung wählen. Erfahrene Systementwickler wissen sehr gut, dass die Implementierung des Filters sehr zeitintensiv sein kann. Denn mit unterschiedlichen Bauteilen mit identischer Filterfunktion kann sich eine sehr unterschiedliche Linearität ergeben. Zurückzuführen ist dies auf das nichtlineare Zusammenspiel mit dem Eingangsschaltkreis des Nyquist-ADC.
Eckdaten
Dank einiger Innovationen in der IC-Technologie bietet Analog Devices heute auch Continuous-Time-Delta/Sigma-Wandler an, die eine große Dynamik und hohe Taktraten kombinieren. Mit dem AD6676 lassen sich Kommunikationsinfrastrukturen und Messsysteme aufbauen. Sie profitieren auch vom stabilen Betrieb bei starken In- und Out-of-Band-Interferenzen.
Im Gegensatz dazu wird in Bild 1b, wo der AAF-Filter fehlt und der eingangsseitige Abtastschaltkreis durch den resistiven Eingang des CT-DS ersetzt wird, die Filterfunktion durch den CT-DS ausgeführt. Das Frequenzverhalten des CT-DS hat Analog Devices digital programmierbar ausgeführt. Daher können Entwickler den gleichen CT-DS in mehreren Signalketten verwenden und digital auf die gewünschte Frequenz und Bandbreite abstimmen. Darüber hinaus vereinfacht und verkürzt dies die Plattformentwicklung. In Summe erreicht die Signalkette in Bild 1b die gleiche Funktion und Leistungsfähigkeit mit geringerem Energieverbrauch sowie einem kleineren Formfaktor wie in Bild 1a.
Implementierung
Eine Implementierung dieser Technologie findet man im AD6676 von Analog Devices (Bild 3). Es handelt sich dabei um ein integriertes ZF-Digitalisierungs-Subsystem mit eingebettetem, abstimmbarem CT-DS. Dieses Bauteil weist einen sehr hohen Dynamikbereich auf und bietet Funktionen wie digitale Filterung, Abwärtswandlung (Down-Conversion), eine Möglichkeit der automatischen Anpassung der Verstärkung (AGC, Automatic Gain Control), integrierte Taktsynthesizer und eine serielle Ausgangsschnittstelle nach JESD204B. Die Mittenfrequenz (ZF) des Durchlassbands lässt sich digital zwischen 70 und 450 MHz abstimmen. Die Bandbreite ist mit variierender spektraler In-Band-Rauschdichte zwischen 20 und 160 MHz programmierbar.
Bild 3: Das Blockschaltbild des AD6676 zeigt ein integriertes ZF-Digitalisierungs-Subsystem mit eingebettetem, abstimmbarem CT-DS.Analog Devices
Aufgrund seiner Leistungsfähigkeit, entsprechend den Werten im Datenblatt, eignet sich dieses Bauteil für breitbandige Mobilfunk-Infrastrukturen und Repeater sowie für Punkt-zu-Punkt-Microwave-Equipment, Spektrumanalysatoren, Kommunikationsmessgeräte und viele weitere Anwendungen.
Schlussbemerkung
Mit dem Einsatz von CT-DS-ADCs können Entwickler die Signalkette vereinfachen und die Performance optimieren sowie die Flexibilität bei der Systementwicklung erhöhen und den Entwicklungsaufwand reduzieren. Dank ihrer Vorteile haben sich diese Architekturen in vielen Anwendungen etabliert, bei denen ein geringer Energieverbrauch und Mobilität im Vordergrund stehen. Dank einiger Innovationen in der IC-Technologie können CT-DS jetzt auch die hohen Anforderungen erfüllen, die an ADCs für Kommunikationsinfrastrukturen und Messsysteme bezüglich hoher dynamischer Leistungsfähigkeit gestellt werden. Hierbei bleibt der stabile Betrieb auch bei starken In- und Out-of-Band-Interferenzen erhalten.
Ein ZF-Subsystem mit eingebettetem schnellem CT-DS mit programmierbarer Mittenfrequenz (ZF) in Kombination mit digitalem Downsampling, nachfolgender angepasster Filterstufe und anderen integrierten Funktionen ergibt eine sehr flexible und leistungsstarke Lösung für Software-Radio-Applikationen. Ferner vereinfacht sich die Entwicklung auf Systemebene bei zugleich höherer Flexibilität und Leistungsfähigkeit der Signalkette. Zusätzlich lassen sich beim Einsatz von CT-DS Signalaufbereitungsblöcke, welche bei Mainstream-ADC-Technologie verlangt werden, einsparen.
Gabriele Manganaro
(lei)
