Oszilloskop-ASICs auf PXIe-Boards

Im Bestreben, die Anforderungen seiner Kunden bestmöglich zu erfüllen, investiert Tektronix in eigene ASICs für A/D-Wandler, Verstärker, D/A-Wandler, Multiplexer und Demultiplexer, was entscheidend dazu beitrug, die Position als führender Oszillo-skop-Hersteller zu festigen. Im Zuge dessen entwickelt Tektronix schon seit mehr als 15 Jahren gemeinsam mit IBM ASICs auf Basis von Silizium-Germanium-Fertigungstechniken.

Bild 1: Die PXIe-Digitizer-Karten 5185 und 5186 sind die ersten beiden Produkte aus der gemeinsamen Entwicklung von National Instruments und Tektronix .National Instruments/Tektronix

Gegenwärtig werden erste Chip-Exemplare in IBMs 8HP-Prozess hergestellt, der noch höhere Bandbreiten und Abtastraten ermöglicht. Mit National Instruments arbeitete Tektronix am Design der Digitizer NI PXIe-5185 und NI PXIe-5186 und entwarf ein komplettes analoges Front-End mit hoher Bandbreite und unterstützte die Integration eines A/D-Wandlers mit hoher Abtastrate in die PXI-Architektur.

Entwicklung des analogen Front-Ends

Zu den wichtigsten Investitionsbereichen von Tektronix bei analogen ASICs zählt die Entwicklung von Front-End-ASICs wie Vorverstärker und spannungsbegrenzende Schaltungen. Diese Technologie wird in vielen Bereichen verwendet, von Präzisionsmessungen für große physikalische Experimente über Produktionsprüfumgebungen mit hohem Durchsatz bis hin zu Anwendungen in Militär, Luft- und Raumfahrt. Um ein analoges Front-End für so vielfältige Anwendungen zu entwickeln, muss das Design verschiedene Anforderungen erfüllen:

• Das Front-End sollte Komponenten mit höherer Frequenz he-rausfiltern, die ansonsten das tatsächliche Signal verfälschen (Antialiasing). Diese verfälschten Signale könnten zwar im Frequenzbereich bestimmt werden, im Zeitbereich sind sie jedoch von den echten Signalen nicht zu unterscheiden. Oszilloskope und Digitizer mit hoher Bandbreite verwenden Filter mit hoher Flankensteilheit, um Aliasing zu vermeiden. Ein solcher Filter erzeugt allerdings Klirren in der Sprungantwort, weshalb beim Entwurf eines leistungsstarken Front-Ends diese beiden Faktoren abzuwägen sind.

• Der Frequenzgang von DC bis zur maximalen Bandbreite sollte so flach wie möglich ausfallen. Ein flacher Frequenzgang schützt vor unerwünschter Verstärkung oder Dämpfung von Signalkomponenten bei verschiedenen Frequenzen.

• Die Sprungantwort sollte nur minimales Überschwingen und Klirren aufweisen.

• Das Grundrauschen sollte so niedrig wie möglich sein. Dies ist besonders wichtig für Anwender, die im Frequenzbereich arbeiten und dafür einen möglichst großen Dynamikbereich benötigen, um schwache Signale zu bestimmen. Auch für Anwender, die im Zeitbereich arbeiten und eine hohe vertikale Auflösung benötigen, ist das Rauschverhalten von Bedeutung. Das niedrigste theoretisch erreichbare Grundrauschen ist eine Funktion des thermischen Rauschens, das üblicherweise nicht von der Frequenz, sondern nur von der Temperatur abhängt. Bei 25 °C beträgt die spektrale Leistungsdichte der thermischen Rauschleistung -173,9 dBm/Hz. Die mittlere Rauschleistungsdichte bezeichnet die Rauschleistung in einer festgelegten Bandbreite.

Im Hinblick auf diese Voraussetzungen entwickelte Tektronix einen analogen Front-End-ASIC und eine Front-End-Schaltung, um eine solide Leistung in diesen Bereichen bereitzustellen.

Frequenzgang im Vergleich

Für Ingenieure kann es schwierig sein, Kenndaten über den Frequenzgang für Digitizer und Oszilloskope zu bestimmen, doch wenn dies möglich ist, sind sie aufschlussreich. Zur Veranschaulichung dient der Frequenzgang aus dem frei verfügbaren Datenblatt von Digitizer X, dem Digitizer eines Mitbewerbers im 3-HE-Formfaktor für PXI.
Der Hersteller von Digitizer X bietet keine Spezifikationen zum Frequenzgang des Produkts. Die hier gezeigten Daten wurden aus einem charakteristischen Abtastbeispiel von Digitizer X gewonnen. Die Daten des Diagramms zum Frequenzgang von Digitizer X stammen aus Laborversuchen von National Instruments. Die Messungen wurden nach der Selbstkalibrierung und ausreichender Aufwärmzeit durchgeführt. Der konfigurierte Signalgenerator gab eine Sinuskurve aus, die von einem SMA100A von Rohde & Schwarz mit einem Ausgangspegel von 71 % und einem Eingangsbereich von 1 Vpp generiert wurde. Der Leistungspegel wurde mithilfe des thermischen Leistungsmesskopfs NRP-Z91 von Rohde & Schwarz überprüft. National Instruments setzte das gleiche Verfahren ein, um die Leistung der Digitizer NI PXIe-5185 und PXIe-5186 zu validieren.

Bild 2: Profil des Frequenzgangs von Digitizer X.National Instruments/Tektronix

Die Grafik in Bild 2 veranschaulicht, dass Digitizer X seine Grenzbandbreite mit -3 dB bei 1,5 GHz erreicht. Bei Frequenzen bis zu diesem Wert bleibt der Frequenzgang relativ flach, liegt jedoch um 700 MHz bei unter 1 dB. Ab diesem Punkt wurden Maßnahmen ergriffen, um die Bandbreite des Digitizers zu erweitern. Der Frequenzgang weist eine Differenz von 2 dB zwischen 700 MHz und 1,25 GHz auf. Bei etwa 1,25 GHz beginnt die Kurve abzufallen und erreicht bei 1,5 GHz einen Wert von -3 dB.
Oberhalb von 1,5 GHz tritt eine weitere Schwankung auf. Der Frequenzgang bleibt bis zu 2,25 GHz flach und steigt dann erneut auf einen höheren Wert, bevor er auf -10 dB bei 2,8 GHz zurückgeht. Der Signalanteil über 2 GHz, der sich noch immer zwischen beachtlichen -3 dB und -10 dB befindet, kann bei einer Abtastung durch den A/D-Wandler mit 4 GS/s das Signal verfälschen.
Für einen einfachen Vergleich und um die Erfassungsleistung des Front-End-ASIC von Tektronix darzustellen, zeigt Bild 3 den gemessenen Frequenzgang des Digitizers NI PXIe-5186 mit 5 GHz.

Bild 3: Frequenzgang des Digitizers NI PXIe-5186 mit 5 GHz Bandbreite.National Instruments/Tektronix

Er ist ebenfalls im Datenblatt des Digitizers enthalten.
Der Front-End-ASIC, der sowohl in den Digitizern NI PXIe-5185 und PXIe-5186 als auch in den Oszilloskopen von Tektronix zum Einsatz kommt, sorgt für einen flachen Frequenzgang, der bei einer Bandbreite von bis zu 5 GHz im Bereich von 1 dB bleibt. National Instruments wählte einen Front-End-Filter mit gutem Antialiasing-Verhalten bei einer Abtastrate von 12,5 GS/s aus. In Bild 3 wird dargestellt, wie der Front-End-Filter sehr steil abfällt und bei 6,25 GHz -10 dB erreicht.

Entwurf mit A/D-Wandlern bei hohen Abtastraten

Der in den Digitizern verwendete A/D-Wandler entspricht dem in aktuellen Tektronix-Oszilloskopen eingesetzten Wandlern und wurde für den 7HP-SiGe-Prozess von IBM entwickelt (Bild 4).

Bild 4: Einer der auf den NI PXIe-Digitzern eingesetzen Tektronix-ASICs.National Instruments/Tektronix

Dabei handelt es sich um einen 8-bit-A/D-Wandler (quad-interleaved), der über eine eigene SAR-Architektur mit einem einzelnen Takteingang und einer maximalen Abtastrate von 12,5 GS/s verfügt. Mit diesem ASIC kann ein Digitizer mit ein oder zwei Kanälen erstellt werden, der bei Abtastraten von 12,5 GS/s (1 Kanal) oder 6,25 GS/s (2 Kanäle) arbeitet. Dabei kann er auf die gesamte 5 GHz Bandbreite auf beiden Kanälen zurückgreifen. Für I/Q-Demodulationsanwendungen ermöglicht das zum Beispiel die Erfassung in der zweiten Nyquist-Zone.
Die A/D-Wandler-Leistung von Tektronix lässt sich mit allgemein verfügbaren Alternativen auch mithilfe des weithin bekannten Kennwerts in der Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlertechnologie vergleichen – den effektiven Bit (Effective Number of Bits, ENOB). Die Werte in Bild 5 wurden von Bob Walden (Aerospace Corp.) in seinem aktuellen Bericht über A/D-Wandlertechnologie zusammengestellt.

Bild 5: Der Bericht zu A/D-Wandlern zeigt die gemessene Auflösung – dargestellt durch die effektiven Bit (ENOB) – über der Signalfrequenz eines einzelnen Eingangstons (mit freundlicher Genehmigung von Bob Walden von Aerospace Corp.).National Instruments/Tektronix

Es zeigt, dass die 8-Bit-A/D-Wandlerarchitektur von Tektronix im Gigahertz-Bereich bei analogen Eingangsfrequenzen über eine sehr gute Auflösung gegenüber vergleichbaren Angeboten von Mitbewerbern verfügt. Dazu zählen auch einige A/D-Wandler, für die eine bessere Bit-Auflösung angegeben wird. Außerdem ist die Tektronix-Architektur die einzige in Serie gefertigte A/D-Wandlertechnik, die die Ambiguitätsmarke von 150 GHz überschreitet (gestrichelten grüne Linie). Der zugrunde liegende Transistor und die hybride Architektur des A/D-Wandlers ermöglichen mehr als 6 effektive Bit für eine Einzelton-Eingangssignalbandbreite von 6 GHz.

Integration des Wandlers in den Digitizer

Bei der Integration des Tektronix A/D-Wandlers in den Digitizer bestand eine Herausforderung darin, das geringe Rauschverhalten des A/D-Wandlers zu erhalten. Dafür wurde der erwähnten Front-End-ASIC eingesetzt, der das Rauschverhalten bei geringen Signalfrequenzen maßgeblich beeinflusst und die hervorragenden effektiven Bit des Digitizers sicherstellt. Die Digitizer erreichen damit eine beachtliche Auflösung von 6,5 Bit für Signale unter 10 MHz und nutzen so beinahe die maximalen effektiven Bit des A/D-Wandler-ASIC. Als zweite Herausforderung musste das Rauschen des Digitizers bei hochfrequenten Eingangssignalen minimiert werden.
Das Rauschverhalten wird durch den Sampling-Jitter beeinflusst, der auch als Phasenrauschen bezeichnet wird. Er veranschaulicht die Zeitabweichungen während des A/D-Umwandlungsprozesses und ist bei höheren Frequenzen entscheidend. Gründe für die Abweichungen können Takt-Jitter, also Unregelmäßigkeiten des A/D-Wandlers und Systementwurfsprobleme sein. 

(jj)