Ruhige Spannung

Die Signalqualität von AD-Wandlern, etwa in Ultraschall-Anwendungen, hängt auch von der Stromversorgung ab.Analog Devices

Viele moderne Anwendungen verlangen schnelle Sampling-A/D-Wandler (ADCs) mit Auflösungen von 12 Bit und mehr. Erst bei einer ausreichend hohen Auflösung können Anwender Systeme mit hoher Messgenauigkeit entwickeln. Allerdings steigt damit auch die Rauschempfindlichkeit. Bei jeder Erhöhung der Systemauflösung um ein Bit, etwa von 12 auf 13 Bit, verdoppelt sich die Empfindlichkeit.

Als Rauschquelle wird oft die Stromversorgung unterschätzt oder gar übersehen. Da A/D-Wandler empfindliche Bauteile sind, sollte der Entwickler alle Eingänge wie Analog-, Takt- und Spannungs-Input gleich behandeln. Nur so erzielt er die höchste Leistungsfähigkeit entsprechend der Datenblattspezifikation. Störquellen gibt es viele, die Situation wird zunehmen schwierig.

Mehr Störung bei grüner Auslegung

Die heutige Elektronikwelt verlangt kostengünstige und energiesparende Lösungen. Je weniger Energie ein System aufnimmt, desto einfacher wird das Wärmemanagement und die Energieeffizienz steigt. Die meisten Datenblätter für A/D-Wandler empfehlen aber den Einsatz linearer Stromversorgungen und begründen das mit dem geringeren Rauschen im Vergleich zu den sparsameren Schaltnetzteilen. In einigen Fällen ist dies völlig richtig. Dank technologischer Weiterentwicklungen lassen sich Schaltnetzteile aber möglicherweise in Kommunikations- und Medizinanwendungen einsetzen.

Nachfolgend sind verschiedene Messmethoden beschrieben, welche für die optimale Entwicklung von Stromversorgungen für schnelle A/D-Wandler besonders wichtig sind. Die beiden als Störspannungsunterdrückungsverhältnis oder PSRR (Power Supply Rejection Ratio) und Stromversorgungsmodulationsverhältnis oder PSMR (Power Supply Modulation Ratio) bezeichneten Tests ermitteln, wie empfindlich ein Wandler gegenüber Rauscheinflüssen auf der Versorgungsleitung ist. Auch lässt sich mit den Tests von PSRR und PSMR bestimmen, wie sauber die von der Stromversorgung erzeugte Spannung sein muss, damit ein A/D-Wandler die erwartete Leistungsfähigkeit erreicht.

Netzstörunterdrückung definiert

Im Wesentlichen bestimmen zwei Eigenschaften, wie sich ein A/D-Wandler bei Rauschen auf der Versorgungsspannung verhält. Dies sind PSRR-DC, PSRR-AC und PSMR. PSRR-DC ist das Verhältnis der Änderung der Versorgungsspannung zur resultierenden Änderung des Verstärkungs- oder Offsetfehlers des ADC. Dies kann in Bruchteilen eines LSB (Least Significant Bit), als prozentualer Anteil oder logarithmisch in dB (PSR = 20 × log₁₀ (PSRR)) ausgedrückt werden und ist normalerweise für Gleichspannung (DC) spezifiziert.

Diese Methode zeigt jedoch nur, wie sich ein spezifizierter Parameter des ADC bei einer Änderung der Versorgungsspannung ändern kann. Daher sagt sie nichts über die Robustheit des Wandlers aus. Eine bessere Methode ist der Test der Versorgungsspannungsunterdrückung. Dies erfolgt, indem man der DC-Versorgungsspannung ein Wechselspannungssignal (PSRR-AC) überlagert. So wird das Signal (Rauschquelle) aktiv in die Schaltung des Wandlers eingekoppelt. Diese Methode untersucht im Wesentlichen die Dämpfung des Wandlers als Störung (Rauschen), welche bei einer bestimmten Amplitude über das Grundrauschen des Wandlers steigt. Erkennbar ist das daran, dass der Wandler bei einem bestimmten Rauschen und einer bestimmten Amplitude ausfällt. Außerdem zeigt es Entwicklern, wie Rauschen auf der Spannungsversorgung das Signal beeinträchtigt.

Das Stromversorgungsmodulationsverhältnis oder PSMR beeinträchtigt den Wandler auf eine andere Art. Diese Größe sagt dem Entwickler nur, wie empfindlich der Wandler bei moduliertem analogen Eingangssignal gegenüber Rauschen auf der Versorgungsspannung ist. Der Effekt zeigt sich als Modulation um die ZF-Frequenz, welche am Wandler anliegt. Dies kann verheerend auf oder um die Seitenbänder des Trägers wirken, falls die Stromversorgung nicht sorgfältig entwickelt wurde.

Das Stromversorgungsrauschen sollte also getestet und genau wie alle anderen Eingänge des Wandlers behandelt werden. Es ist überaus wichtig, dass sich Anwender des Rauschens der Systemstromversorgung bewusst sind. Andernfalls wird das Stromversorgungsrauschen das Grundrauschen des Wandels erhöhen und den Dynamikbereich des gesamten Systems begrenzen.

Stromversorgungstests

Bild 1: Mit diesem typischen PSRR-Testaufbau lässt sich die Störspannungsunterdrückungsverhältnis (Power Supply Rejection Ratio) ermitteln.Analog Devices

Bild 1 zeigt eine PSRR-Messung an einem A/D-Wandler auf einem Systemboard. Alle Versorgungsspannungen werden individuell gemessen, um besser Aufschlüsse über das dynamische Verhalten des ADC zu gewinnen, wenn sich ein Wechselspannungssignal auf der zu testenden Stromversorgung befindet. Beginnen kann man mit einem nicht-gepolten Elektrolytkondensator mit hoher Kapazität, zum Beispiel 100 µF. Als Induktivität und als AC-Blocker für die Gleichspannungsversorgung können Bauteile mit 1 mH dienen. Die heißen meist Bias-T und sind in einem Gehäuse verfügbar.

Mit dem Oszilloskop wird die Amplitude des AC-Signals gemessen, und zwar auf dem zu messenden Versorgungspin des ADC. Zur Vereinfachung sollte man das AC-Signal auf der Versorgungsspannung als einen Wert definieren, der sich auf die gesamte Eingangsspannung des Wandlers bezieht (Full-Scale). Bei einer Eingangsspannung von 2 V_ss eignen sich 200 mV_ss oder -20 dB. Anschließend, mit dem Eingang des Wandlers auf Massepotenzial (es liegt kein Analogsignal an), hält man Ausschau nach einer Störung (Error Spur) auf der Testfrequenz, welche aus dem Grundrauschen/FFT-Spektrum herausragt (Bild 2).

Einfache Rechnung

Bild 2: Beispiel einer Störung (PSRR Error Spur) von etwa -60 dB im FFT-Spektrum. Die Störfrequenz ragt deutlich aus dem Spektrum heraus.Analog Devices

Zur Berechnung des PSRR subtrahiert man -20 dB vom Wert der Störung, welche im FFT-Spektrum sichtbar ist. Zeigt sich zum Beispiel die Störung im Grundrauschen mit -80 dB, dann beträgt das PSRR -80 dB abzüglich -20 dB, also -60 dB (Störung minus Oszilloskopmessung in Dezibel). Der Wert von -60 dB erscheint auf den ersten Blick gering. Bezieht man ihn jedoch auf eine Spannung, ergibt sich 1 mV/V (oder 10^-60/20). Für eine PSRR-Spezifikation gemäß Datenblatt ist dies nicht ungewöhnlich.

PSRR bei wechselnden Frequenzen

Der nächste Schritt besteht darin, Frequenz und Amplitude des AC-Signals zu verändern, um das PSRR des ADC auf dem Systemboard zu charakterisieren. Bei den meisten Datenblattangaben handelt es sich um typische Werte, welche lediglich Betriebsbedingungen im ungünstigsten Fall oder Versorgungen mit den schlechtesten Eigenschaften spezifizieren. Zum Beispiel kann die analoge Versorgungsspannung von +5 V, bezogen auf andere Spannungsversorgungen, am schlechtesten sein. Man sollte daher sicherstellen, dass alle Versorgungsspannungen spezifiziert sind und im Zweifel den Hersteller fragen.

Einen Nachteil hat die PSRR/PSMR-Messung mit einer LC-Anordnung allerdings. Beim Durchlaufen des interessierenden Frequenzbandes kann der am Ausgang des Signalgenerators erforderliche Signalpegel sehr hoch werden, um am Versorgungspin des ADC den gewünschten Eingangspegel zu erhalten. Dies ist der Fall, weil die LC-Kombination je nach L- und C-Werten bei bestimmten Frequenzen ein Notch- oder Kerb-Filter bildet. Dies erhöht Masseströme an der Kerbfrequenz erheblich, welche auf die Analogeingänge gelangen können.

Um dies zu vermeiden, verwendet man beim Testen an den problematischen Frequenzen andere LC-Werte. Außerdem sollte man beachten, dass Verluste über dem LC-Netzwerk auch bei Gleichspannung entstehen. Auch sollte man daran denken, die DC-Versorgung am Versorgungsanschluss des ADC zu messen, um diese Verluste zu kompensieren. Zum Beispiel kann die Versorgungsspannung von +5 V nach dem LC-Netzwerk auf +4,8 V sinken. Durch einfaches Erhöhen der Versorgungsspannung lässt sich dieser Spannungsabfall kompensieren.

PSMR-Messung

Bild 3: Typischer Testaufbau zum Messen des PSMR. Das Stromversorgungsmodulationsverhältnis (Power Supply Modulation Ratio) sagt, wie empfindlich der Wandler bei moduliertem analogen Eingangssignal auf Rauschen auf der Versorgungsspannung reagiert.Analog Devices

Das PSMR wird im Prinzip genauso gemessen wie das PSRR, allerdings liegt hier eine analoge Eingangsfrequenz am Testaufbau an (Bild 3). Außerdem wird das Modulations- oder Fehlersignal nur bei niedriger Frequenz angelegt. Auf diese Weise sieht man die Einflüsse dieses Signals auf die am Wandler angelegte analoge Eingangsfrequenz.

Normalerweise verwendet man für diesen Test Frequenzen von 1 bis 100 kHz. Die Amplitude dieses Fehlersignals kann relativ konstant sein, solange das Fehlersignal, also die Mischprodukte, um die Grundfrequenz herum zu sehen sind. Oft empfiehlt es sich, die Amplitude des Fehlersignals zu verändern, um sicherzustellen, dass dieser Wert konstant ist. Das endgültige Ergebnis, also die PSMR-Spezifikation, erhält man aus der Differenz zwischen der Amplitude der größten Modulationsstörung relativ zur Grundfrequenz. Bild 4 zeigt ein Beispiel eines gemessenen PSMR-FFT-Spektrums.

Bild 4: Beispiel für das PSMR, erkennbar im partiellen FFT-Spektrum. Um die ZF-Frequenz herum zeigen sich Modulationsstörungen.Analog Devices

Analyse des Stromversorgungsrauschens

Entscheidend ist, dass das Rauschen auf allen Eingängen nicht die Leistungsfähigkeit des Wandlers beeinträchtigt. Das folgende Beispiel zeigt, wie die gemessenen PSRR und PSMR anzuwenden sind, auf was man achten und wie man richtig entwickeln muss, damit Rauschen auf der Versorgungsspannung das System nicht beeinträchtigt.

Vorab sind der Wandler und anschließend ein Regler, LDO, Schalter oder andere Bauteile zu wählen. Doch nicht alle Regler eignen sich. Aus dem Datenblatt des Reglers kann man die Rausch- und Ripple-Spezifikationen sowie seine Schaltfrequenz entnehmen, falls ein Switcher verwendet wird. Ein typischer Regler kann 10 µV_eff Rauschen über 100 kHz Bandbreite aufweisen. Angenommen es handelt sich um weißes Rauschen, dann entspricht dies einer Rauschdichte von 31,6 nV_eff/?Hz über das interessierende Frequenzband.

Als nächstes gilt es, das Netzstörunterdrückungsverhältnis des Wandlers zu prüfen. Das zeigt, wo sich die Leistungsfähigkeit des Wandlers infolge Rauschen auf der Versorgungsspannung reduziert. 60 dB (1 mV/V) ist typisch für die meisten schnellen Wandler über die erste Nyquist-Zone (f_s/2). Fehlt die Angabe, muss der Entwickler – wie oben erläutert – selbst messen oder kurzerhand beim Hersteller nachfragen.

Bei einem 16-Bit-ADC mit 2 V_ss Eingangsbereich, 78 dB SNR und 125 MSample/s Abtastrate beträgt das Grundrauschen 11,26 nV_eff. Das Rauschen aus allen Quellen muss unter diesem Wert bleiben, um zu verhindern, dass es den Wandler beeinträchtigt. In der ersten Nyquist-Zone ergibt sich ein Wandlerrauschen von 89,02 µV_eff (11,26 nV_eff/?Hz) × ?(125 MHz/2). Obwohl das Rauschen des Reglers (31,6 nV/?Hz) doppelt so hoch ist wie das Rauschen des Wandlers, sollte man das 60 dB PSRR des Wandlers beachten. Dies unterdrückt das Rauschen des Reglers auf 31,6 pV/?Hz (31,6 nV/?Hz × 1 mV/V). Dieses Rauschen ist deutlich geringer als das Grundrauschen des Wandlers. Damit beeinflusst das Reglerrauschen die Leistungsfähigkeit des Wandlers nicht.

Weitere Störgrößen

Filterung der Versorgungsspannung, Masseführung und Layout sind ebenfalls wichtig. Kondensatoren mit 0,1 µF an den Versorgungsanschlüssen des ADC reduzieren das Rauschen auf einen Wert unter dem oben errechneten. Zu beachten ist, dass über einige Versorgungspins mehr Strom fließt oder diese empfindlicher sind als andere. Eine Entkopplung sollte man daher mit Bedacht verwenden. Ein zusätzlicher Entkopplungskondensator kann an manchen Versorgungsanschlüssen erforderlich sein. Ein einfaches LC-Filter am Stromversorgungsausgang kann auch helfen, das Rauschen zu senken. Beim Einsatz eines Switchers wird das Rauschen durch ein kaskadiertes Filter weiter unterdrückt. Jede zusätzliche Stufe bringt etwa 20 dB pro Dekade.

Die beschriebene Analyse gilt nur für einzelne Wandler. Zum Beispiel enthalten Ultraschallsysteme aber zahlreiche A/D-Wandlerkanäle und addieren diese digital, um den Dynamikbereich zu erweitern. Bei jeder Verdopplung der Kanalanzahl sinkt das Grundrauschen des Wandlersystems um 3 dB. In obigem Beispiel ist das Grundrauschen halb so groß (-3 dB), wenn zwei Wandler verwendet werden, und -6 dB bei vier Wandlern. Dies ist möglich, weil jeder Wandler als unkorrelierte Rauschquelle fungiert. Unkorrelierte Rauschquellen kann man als quadratische Summenwerte behandeln, da sie in keiner Beziehung zueinander stehen. Die Anforderungen an die Stromversorgung steigen also, wenn man die Zahl der Kanäle erhöht, das Grundrauschen des Systems reduziert und seine Empfindlichkeit steigert.

Unvermeidbares Rauschen

Es gibt keine Möglichkeit, in einem System das gesamte Rauschen der Versorgungsspannung zu eliminieren. Kein System wird völlig frei von unerwünschten Einflüssen durch die Stromversorgung sein. Deshalb müssen Anwender von A/D-Wandlern bei der Entwicklung der Stromversorgung und des Layouts proaktiv mitwirken. Im Folgenden sind nützliche Tipps zusammengestellt, mit denen sich die Rauschimmunität von Schaltungsboards bei Störungen auf der Versorgungsspannung maximieren lässt:

• Alle Versorgungsleitungen und Busspannungen entkoppeln, die auf das Systemboard gelangen.
• Beachten, dass für jede zusätzliche Filterstufe etwa 20 dB/Dekade gewonnen werden.
• Erneute Entkopplung bei langen Versorgungsanschlüssen, falls diese ein bestimmtes IC oder kritische Teile und/oder Bereiche versorgen.
• Entkopplung für hohe und niedrige Frequenzen.
• In Serie geschaltete Ferritperlen werden normalerweise am Eintrittspunkt der Versorgungsspannung verwendet, unmittelbar vor dem Entkopplungskondensator gegen Masse. Dies sollte für alle Versorgungsspannungen des Systemboards erfolgen und zwar ganz gleich, ob sie von einem LDO oder einem Schaltregler stammen.
• Für zusätzliche Kapazität dicht übereinander gestapelte Versorgungs- und Masseflächen (kleiner 4 mm Abstände) verwenden. Dies sorgt von Grund auf für zusätzliche HF-Entkopplung des Leiterplattendesigns.
• Wie bei jedem guten Board-Layout die Versorgungsspannungen von empfindlichen Analogschaltungen fernhalten, etwa von der Eingangsstufe des ADC sowie von Taktschaltungen.
• Eine gute Schaltungspartitionierung ist wichtig. Einige Bauteile auf der Rückseite der Leiterplatte anzuordnen, sorgt für zusätzliche Isolation.
• Aufpassen sollte man auf Masserückführungspfade, speziell auf der digitalen Seite, damit Transienten nicht zurück in den analogen Bereich der Leiterplatte gelangen. Geteilte Masseflächen können sich in einigen Fällen ebenfalls als nützlich erweisen.
• Analog und digital referenzierte Bauteile über ihrer zugehörigen Massefläche anordnen. Diese allgemein übliche Vorgehensweise sorgt für zusätzliche Isolation gegenüber Rauschen und Signaleinkopplungen.
• Die Empfehlungen des IC-Herstellers befolgen. Falls Datenblätter oder Applikationsschriften keine Tipps enthalten, kann das zugehörige Evaluation-Board als Vorlage für eigene Anwendung dienen.

Die genannten Kriterien sind entscheidend bei der Entwicklung von Stromversorgungen für schnelle Wandler, um das gewünschte Systemverhalten zu erreichen. Entwickler sollten die Layout-Techniken und Hardware beachten, welche erforderlich sind, um die Datenblattspezifikationen eines ADC auf einem Systemboard zu erreichen.

(lei)