Schnelle A/D-Wandler: Was sind sie und wie funktionieren sie?

In vielen Technologiebereichen geht der Fortschritt einher mit höheren Geschwindigkeiten. Deutlich wird das beispielsweise bei der Datenkommunikation oder bei MCUs, DSPs und FPGAs, deren Taktfrequenzen steigen. Weitere Performance-Steigerungen gelingen durch Parallelverarbeitung. All das hat einen Einfluss auf die A/D-Wandler: Schnellere Kommunikation braucht schnellere A/D-Wandler, und zur Parallelverarbeitung sind oft mehrkanaliger Wandler gefragt.

Dazu kommen wichtige Architekturänderung, etwa der Übergang zu Multicarrier/Multichannel- oder sogar Software-definierten Systemen. Herkömmliche analog-intensive Systeme erledigen einen Großteil der Signalverarbeitungsaufgaben (Filterung, Verstärkung, Frequenzübersetzung) im analogen Bereich und sie digitalisieren das Signal erst nach dieser Aufbereitung. Heute versucht man diese Funktionen vermehrt in den digitalen Bereich zu bringen, weil Änderungen hier deutlich einfacher sind. Derlei flexible Architekturen bestehen aus schneller, leistungsstarker Wandlung und leistungsfähiger digitaler Verarbeitung.

Bild 1: Bandbreite und Dynamikbereich repräsentieren die grundlegenden Dimensionen der Signalverarbeitung.Analog Devices

Bandbreite

Die grundlegenden Dimensionen der Signalverarbeitung, ob analog oder digital, sind Bandbreite und Dynamikbereich (Bild 1). Diese beiden Faktoren bestimmen wie viel Information einem System zur Verfügung stehen. Für die Kommunikation nutzt das Theorem von Claude Shannon diese zwei Dimensionen um das grundlegende theoretische Limit zu beschreiben, wie viel Information ein Kommunikationskanal übertragen kann.

Die nutzbare Bandbreite eines Wandlers weist einen theoretischen Grenzwert auf, vorgegeben durch das Nyquist-Abtasttheorem. Dieses besagt, dass man zur Darstellung oder zum Umgang mit einem Signal der Bandbreite F einen Wandler benötigt, dessen Abtastrate mindestens 2·F beträgt. In praktischen Systemen vereinfacht ein gewisses Maß an Überabtastung das Systemdesign. Somit ist ein Faktor von der 2,5- bis 3-fachen Signalbandbreite typischer. Neben der Bandbreite kommt es auch auf den Dynamikbereich an; dieser Zusammenhang ist weniger offensichtlich. In der Signalverarbeitung repräsentiert der Dynamikbereich die Spanne zwischen dem größten Signal, mit dem das System umgehen kann ohne in Sättigung zu gelangen oder Clipping zu produzieren, und dem kleinsten Signal, das ein System erfassen kann.

Dynamikbereich

Man kann zwei Typen von Dynamikbereichen betrachten: Der „Floating-Point“-Dynamikbereich lässt sich mit einem PGA (Programmable Gain Amplifier) vor einem A/D-Wandler (ADC) mit niedriger Auflösung realisieren. Man stelle sich einen 4-Bit-PGA vor einem 8-Bit-Wandler vor, um einen Floating-Point-Dynamikbereich von 12 Bit zu erreichen. Bei niedrig eingestellter Verstärkung erfasst diese Anordnung große Signale ohne Clipping. Für sehr kleine Signale muss man den PGA auf hohe Verstärkung einstellen, um das Signal über dem Grundrauschen (Noise Floor) des Wandlers zu verstärken. Ein Floating-Point-Dynamikbereich kann für herkömmliche Signalverarbeitungsarchitekturen, die versuchen, immer nur ein einziges Signal zurückzugewinnen, sehr effizient sein. Allerdings muss es den PGA immer nachregeln.

Der zweite, direkte Dynamikbereich, ist leistungsstärker. In diesem Aufbau verfügt das System über einen ausreichend hohen Dynamikbereich um das große Signal ohne Clipping zu erfassen und das kleine Signal dennoch zurückzugewinnen. In diesem Fall wäre ein 14-Bit-Wandler notwendig. Da sich Systeme hin zu anspruchsvolleren Signalverarbeitungsalgorithmen entwickeln, geht die Tendenz in Richtung eines größeren Dynamikbereichs. Dies erlaubt dem System, mit mehr Signalen umzugehen. Falls alle Signale gleich stark sind und das System doppelt so viele Signale verarbeiten muss, wären zusätzlich 3 dB Dynamikbereich erforderlich (alle anderen Faktoren sind gleich). Falls das System mit starken und schwachen Signalen gleichzeitig umgehen muss, können die Anforderungen an den Dynamikbereich enorm sein.

Wichtige Messwerte

In der digitalen Signalverarbeitung ist der Schlüsselparameter für den Dynamikbereich die Anzahl der Bits in der Darstellung des Signals oder die Wortlänge. Einfach gesagt hat ein 32-Bit-Prozessor einen größeren Dynamikbereich als eine 16-Bit-CPU. Bei zu großen Signalen kommt es zum Clipping – eine höchst nichtlineare Operation, die die Integrität der meisten Signale zerstört. Wenn die Signalamplitude umgerechnet unter 1 LSB (Least Significant Bit) liegt, kann sie der Wandler nicht mehr erkennen und sie gehen verloren. Diese endliche Auflösung wird oft als Quantisierungsfehler oder Quantisierungsrauschen bezeichnet. Sie kann ein wichtiger Faktor im Hinblick auf die Basis-Erkennbarkeit sein.

Bild 2: Spektrum eines Wandlers mit verschiedenen Messgrößen für den Dynamikbereich eines 12-Bit-ADC mit 2,5 GSample/s (AD9625).Analog Devices

Quantisierungsrauschen spielt auch bei Mixed-Signal-Systemen eine Rolle. Eine Reihe von Faktoren ist bei Wandlern für den Umfang des nutzbaren Dynamikbereichs verantwortlich (Bild 2). Jeder Einflussfaktor hat seine eigenen Spezifikationen:

• Signal/Rausch-Verhältnis (SNR): Das Verhältnis aus Vollaussteuerung (Full Scale) eines Wandlers und dem Gesamtrauschen im Frequenzband. Bei diesem Rauschen kann es sich um Quantisierungsrauschen, thermisches Rauschen (vorhanden in allen Systemen der realen Welt) oder andere Fehler (zum Beispiel Jitter) handeln.
• Statische Nichtlinearität: Differenzielle Nichtlinearität (DNL) und integrale Nichtlinearität (INL) sind Messgrößen der Nicht-Idealitäten der DC-Übertragungsfunktion vom Eingang zum Ausgang eines Wandlers. Aus der DNL ergibt sich oft der Dynamikbereich eines bildgebenden Systems.
• Total Harmonic Distortion (THD): Statische und dynamische Nichtlinearitäten produzieren harmonische Oberschwingungen, die andere Signale beeinträchtigen können. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) begrenzt häufig den effektiven Dynamikbereich von Audiosystemen.
• Störungsfreier Dynamikbereich (Spurious-free Dynamic Range, SFDR): Der SFDR berücksichtigt das größte spektrale Störsignal, etwa eine zweite oder dritte Harmonische, Taktsignal-Übersprechen oder sogar ein 50-Hz-Brummen, im Vergleich zum Eingangssignal. Da die spektralen Töne oder Störungen kleine Signale überdecken (maskieren) kann, ist der SFDR in vielen Kommunikationssystemen eine wichtige Größe für den nutzbaren Dynamikbereich.

Die passende Spezifikation

Der Entwickler hat üblicherweise die Wahl zwischen vielen A/D-Wandlern mit sehr verschiedenen Spezifikationen, er muss bei der Auswahl also die entscheidenden Parameter beachten. Tatsächlich kann jede Anwendung aber ihre eigene Definition des Dynamikbereichs haben. Die Auflösung eines Wandlers ist eine gute erste Näherung für seinen Dynamikbereich. Das Hauptprinzip lautet: je mehr desto besser. Während die Bedeutung der Bandbreite in der Signalverarbeitung noch recht offensichtlich ist, wirkt sich der Dynamikbereich oft eher indirekt aus.

Während es sich bei der Bandbreite und dem Dynamikbereich um die zwei primären Kriterien für die Signalverarbeitung handelt, sollten Entwickler als drittes Kriterium auch die Effizienz berücksichtigen: Es stellt sich die Frage, wie viel die zusätzliche Leistungsfähigkeit kostet. Bei den Kosten kann man zunächst an den Einkaufspreis für ein Bauteil denken. Eine technischere Denkweise betrachtet die Kosten für Wandler und andere elektronische Signalverarbeitungsbauteile hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme. Systeme mit höherer Leistungsfähigkeit – solche mit größerer Bandbreite und größerem Dynamikbereich – neigen zu höherer Leistungsaufnahme. Bei künftigen technologischen Fortschritten geht es darum die Bandbreite und den Dynamikbereich zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken.

Trends und Innovationen

Auf die Anforderung, dass Wandler für viele Anwendungen eine zunehmend höhere Leistungsfähigkeit aufweisen müssen, reagierte die Branche mit technologischen Fortschritten: Neuen Prozesstechnologien, fortschrittlichen Architekturen und digital unterstützten Konzepten.

Die Halbleiterindustrie kann bei der digitalen Verarbeitungsleistung beachtliche Erfolge vorweisen, die wesentlich auf Fortschritten in der Wafer-Verarbeitung mit immer feinerer Lithografie basieren. Deep-Submicron-CMOS-Transistoren weisen gegenüber ihren Vorgängern wesentlich höhere Schaltgeschwindigkeiten auf und ermöglichen so, dass Controller, Prozessoren und FPGAs mit mehreren Gigahertz getaktet werden. Mixed-Signal-Schaltkreise können von den neuen Prozesstechnologien zwar auch profitieren, hier gibt es jedoch einen Nachteil: Die fortschrittlicheren Lithografie-Prozesse arbeiten mit niedrigeren Versorgungsspannungen. Daraus resultieren kleinere Signalhübe in Analogschaltkreisen, wodurch es schwieriger wird Analogsignale über dem thermischen Grundrauschen zu halten. So geht die höhere Geschwindigkeit auf Kosten des Dynamikbereichs.

Parallel zu den Fortschritten bei den Halbleiterprozessen laufen die Innovationsschübe bei schnellen Wandlerarchitekturen. Sie ermöglichen größere Bandbreiten und Dynamikbereiche sowie eine beachtliche Leistungseffizienz. Schnelle ADCs verwenden traditionell Architekturkonzepte wie Flash, Folding, Interleaved und Pipeline. Zu ihnen gesellten sich nun Architekturen, die bisher bei langsameren Anwendungen zum Einsatz kamen. Beispiele dafür sind SAR (Successive Approximation Register) und Delta/Sigma. Beide wurden auf den Einsatz in schnellen Systemen angepasst.

Architekturen abwägen

Jede Architektur bietet ihre eigenen Vor- und Nachteile. Für bestimmte Anwendungen lassen sich auf Basis dieser gute Kompromisse finden. Für schnelle D/A-Wandler tendiert die Architektur der Wahl hin zu Switched-Current-Mode-Strukturen. Es gibt viele Varianten dieser Strukturen. Switched-Capacitor-Konzepte verzeichnen stetig steigende Geschwindigkeiten. Sie sind in schnellen Embedded-Anwendungen besonders beliebt.

Zusätzlich zu den Prozessen und Architekturen haben Schaltkreistechniken in den vergangenen Jahren eine ganze Menge an Innovation erlebt, speziell bei der digitalen Unterstützung. Jahrzehnte alte Kalibrierungskonzepte waren entscheidend, um Fehlanpassungen von Elementen in ICs zu kompensieren und damit einen höheren Dynamikbereich zu erzielen. Die Kalibrierung hat sich über die Korrektur statischer Fehler hinaus entwickelt. Kalibrierung wird heute zunehmend genutzt um dynamische Nichtlinearitäten einschließlich Einschwingfehler und harmonische Verzerrung zu kompensieren. Innovationen in allen diesen Bereichen haben als Ganzes genommen, die Entwicklungen bei schnellen Wandlungen beachtlich vorangetrieben.

Die restliche Signalkette beachten

Breitbandige Mixed-Signal-Systeme stellen jenseits des Wandlers auch hohe Anforderungen an die restliche Signalkette. Die Herausforderung bleibt, einen guten Dynamikbereich über eine große Bandbreite zu erzielen.

In herkömmlichen Singlecarrier-Systemen geht es bei der Signalaufbereitung darum unerwünschte Signale möglichst schnell zu entfernen und nur die gewünschten Signale zu verstärken. Dies beinhaltet oft eine selektive Filterung und darauf aufbauende Schmalbandsysteme, die auf die relevanten Signale abgestimmt sind. In manchen Fällen helfen Frequenzplanungstechniken sicherzustellen dass Harmonische oder andere Störungen außerhalb des Frequenzbands gelangen. Da Breitbandsysteme keine Schmalbandtechniken nutzen können, ist die Herausforderung an die Breitbandverstärkung hier größer.

Herkömmliche CMOS-Schnittstellen unterstützen keine Datenraten, die deutlich über 100 MHz liegen. LVDS-Datenschnittstellen (Low-Voltage Differential Signaling) arbeiten immerhin mit 800 MHz bis 1 GHz. Für höhere Datenraten stehen Multiple-Bus- oder SERDES-Schnittstellen zur Verfügung. Heutige Wandler enthalten SERDES-Schnittstellen für bis zu 12,5 GSample/s (wie im Standard JESD204B spezifiziert). Ein Design kann mehrere Datenleitungen verwenden, um an der Wandlerschnittstelle verschiedene Kombinationen von Auflösung und Geschwindigkeit zu unterstützen.

Bild 3: Jitter und andere Fehler im Taktsignal führen unweigerlich zu Rauschen und Fehlern im Signal.Analog Devices

Verarbeitet ein System schnelle Signale, dann steigen auch die Qualitätsanforderungen an den Systemtakt. Jitter und andere Fehler im Zeitbereich schlagen sich im Signal als Rauschen oder Fehler nieder (Bild 3). Bei der Verarbeitung von Signalen über 100 MHz kann der Takt-Jitter oder das Phasenrauschen zu einem begrenzenden Faktor im nutzbaren Dynamikbereich des Wandlers werden. Wenn Digital-Quality-Taktsignale nicht mehr ausreichen, sind spezielle, hochleistungsfähige Taktsignale nötig.

Dynamische Entwicklung

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Trend hin zu breitbandigeren Signalen und Software-definierten Systemen weitere Dynamik erfährt. Als Reaktion auf diese Entwicklung findet die Branche auch weiterhin innovative neue Wege um bessere und schnellere Wandler zu produzieren und mit ihnen Spezifikationen wie Bandbreite, Dynamikbereich und Leistungseffizienz auf ein neues Leistungsniveau zu heben.

(lei)