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Analogtechnik & Mixed Signal Die Integration von A/D-Wandlern differenziert ASICs

| Autor / Redakteur: Dr. Mike Coulson * / Kristin Rinortner

In den meisten Anwendungen in der Industrie oder im Automotive- Bereich sind integrierte A/D-Wandler kostengünstiger, kleiner und einfacher zu handhaben als ein konventioneller Baustein.

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ASICs: Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten Lösungen mehrere Vorteile. Wann ist jedoch welche Lösung geeignet?
ASICs: Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten Lösungen mehrere Vorteile. Wann ist jedoch welche Lösung geeignet?
(Bild: © Serggod - Fotolia )

Analog/Digital-Wandler sind das Verbindungsglied zwischen dem digitalen und dem analogen Bereich und sind in modernen Sensorensystemen unentbehrlich. Unsere Kunden verlangen in zunehmendem Maß danach, dass A/D-Wandler in ihre Mixed-Signal ASICs integriert werden, da dies bedeutende Vorteile hinsichtlich Kosten, Energieverbrauch und Dimensionierung mit sich bringt. Um diese möglichen Vorteile voll auszunutzen, müssen sowohl ASIC-Anbieter als auch die Kunden über einiges Knowhow verfügen.

Bevor das eigentliche Design beginnt, ist es wichtig zu verstehen, was von einem A/D-Wandler erwartet wird. Der ASIC-Designer ist nicht darauf beschränkt bereits verfügbare Komponenten zu verwenden, sondern kann stattdessen die Schaltkreise derartig verbessern, dass die geforderten Leistungen möglichst effizient und kostengünstig erzielt werden können. Ein besseres Verständnis der nachstehenden Grundlagen kann daher die Designarbeiten mit dem A/D-Wandler- Anbieter deutlich beschleunigen.

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Statische Kennwerte beschreiben die Einheitlichkeit der Schaltspannungen und des Spannungsbereiches per Codewort eines A/D-Wandlers. Die Schaltspannungen sind dabei die niedrigsten Eingangsspannungen, mit denen jedes Codewort am Ausgang erzielt werden kann, während es sich bei den Spannungsbereichen um die Differenz zwischen benachbarten Schaltspannungen handelt. Die wichtigsten Messwerte sind dabei die differenzielle Nichtlinearität (DNL) und die integrale Nichtlinearität (INL).

DNL beschreibt Anomalien in den Breiten der Spannungsbereiche im Vergleich zu Durchschnittswerten, wohingegen die INL aufzeigt, wo die Schaltspannungen von den idealen, linear verteilten Schaltspannungen abweichen.

Die gängigsten Messungen der dynamischen Kennwerte beschreiben die spektrale Reinheit der A/D-Wandlungsergebnisse, wenn ein Sinussignal umgewandelt wird.

Dazu gehören das Signal-Rausch-Verhältnis SNR, auch Rauschabstand genannt (engl. Signal to noise ratio), die gesamte harmonische Verzerrung THD (engl. Total Harmonic Distortion), das Signal-Rausch/Signal-Verzerrungsverhältnis SINAD (engl. Signal to noise and distortion ratio) sowie die effektive Anzahl von Bits ENOB (engl. Effective number of bits). Von diesen sind SINAD und ENOB zweifelsohne die Nützlichsten, da sie sowohl zufällige, als auch harmonische Fehler im A/D-Wandler beschreiben.

Ungenauigkeiten bei der A/D-Wandlung

Maßgeblichen Anteil an der Ungenauigkeit bei der A/D-Wandlung hat das Quantisierungsrauschen – dem unvermeidlichen Unterschied zwischen dem quantisierten, digitalen Ergebnis eines idealen A/D-Wandlers und dem analogen Eingangswert. Die allgemein bekannte Gleichung 1 liefert das maximal realisierbare SINAD für eine beliebige Auflösung N, wobei N in Bit angegeben wird:

SINADmax [dB] = 6,02 N + 1,76 (Gleichung 1)

Wenn zusätzlich zum Quantisierungsrauschen auch noch Mängel im Schaltkreis weitere Störungen beitragen, kann die tatsächliche SINAD als intuitive Quantität ausgedrückt werden, die als effektive Anzahl von Bits angegeben wird (ENOB). ENOB ist dabei die Auflösung, die von einem idealen Umwandler erzielt werden würde, der mit Quantisierungsrauschen allein die gleichen Werte hinsichtlich Rauschen und Verzerrung erzielt. ENOB wird durch die Umformung der Gleichung 1 ermittelt:

ENOB = (SINAD [dB] – 1,76) / 6,02 (Gleichung 2)

ENOB und SINAD sind häufig die wesentlichen Messungen, da sie die Probleme bei realistischen Eingabefrequenzen quantifizieren und unberechenbare Einflüsse wie Wärmerauschen einbeziehen.

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