Analogtechnik & Mixed Signal

Die Integration von A/D-Wandlern differenziert ASICs

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Die Vorteile eines integrierten Ansatzes

Integrierte A/D-Wandler haben im Vergleich zu diskreten A/D-Wandlern mehrere Vorteile: Erstens besteht kein Bedarf für einen separaten A/D-Wandler, was das System kleiner und mechanisch robuster macht. Obwohl dies bedeutet, dass mehr Silizium im ASIC benötigt wird, ist dieser Mehrbedarf relativ gering und eine Anpassung des Gehäuses ist nicht unbedingt erforderlich.

Der zweite und offensichtlichste Vorteil ist, dass Kosten für separate A/D-Wandler entfallen. Chipdesignkosten steigen, aber nicht sehr, vorausgesetzt, dass der Anbieter Erfahrung hat und über ein Portfolio von Schaltungen verfügt, dem Elemente entnommen werden können.

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Drittens erfolgt die Wahl diskreter A/D-Wandler aus einem beschränkten Angebot von verfügbaren Bauteilen, so dass es durchaus möglich ist, dass geeignete Bauteile in einigen Bereichen überentwickelt sind, nur um in anderen die erforderlichen Leistungen zu liefern. Dies steigert Kosten und Energieverbrauch.

Letztendlich bietet die Kombination von analogen und digitalen Funktionen auf einem einzelnen Chip die Möglichkeit, den gesamten Signalpfad von einem einzigen ASIC-Anbieter zu beziehen. Ein komplettes System, vom Vorverstärker bis hin zur digitalen Signalbearbeitung, kann komplett modelliert und simuliert werden, und unterliegt der Verantwortung eines einzigen Unternehmens.

Einige A/D-Wandler-Architekturen bieten hohe Wandlungsgeschwindigkeiten, während andere zwar auf niedrige Bandbreiten beschränkt sind, jedoch gleichzeitig enorme Genauigkeit offerieren. Die vier wichtigsten Wandlerarten sind Flash, Pipeline, SAR (sukzessive Approximation) und Sigma-Delta. Häufig werden sie in Vergleichsdiagrammen mit Bandbreite und Auflösung wie in Bild 1 dargestellt.

Typen und Anwendungen von A/D-Wandlern

In n-Bit Flash A/D-Wandlern (Bild 2) wird das Eingangssignal parallel an 2n-1 Komparatoren geführt und mit mehrstufigen Referenzspannungen verglichen, die den gesamte Eingangsspannungsbereich abdecken. Die Komparatoren dekodieren die Ergebnisse und wandeln diese in einen n-Bit-Binärkode um. Die Architektur ist extrem schnell, aber selbst ein 8-Bit-A/D-Wandler benötigt 255 Komparatoren. Das bedeutet, dass Flash-Wandler groß sind und gleichzeitig viel Energie verbrauchen.

Stufenwandler erzielen moderate Auflösungen bei relativ hohen Bandbreiten, da jede Umwandlung in mehreren Schritten erfolgt (Bild 3). Jede Stufe quantifiziert die Eingabe detaillierter und generiert Entscheidungen für ein oder mehrere Bits. Da die Schritte simultan durchlaufen werden, benötigen auch diese A/D-Wandler viel Platz und Energie.

SAR A/D-Wandler eignen sich am besten für mittlere Bandbreiten mit Auflösungen von 10 bis 14 Bit. In SAR A/D-Wandlern wird das Ausgabesignal iterativ ermittelt. Mit jeder Iteration wird das Codewort von einem internen D/A-Wandler umgewandelt und mit der Eingangsspannung des A/D-Wandlers verglichen (Bild 4). Die Güte der Auflösung wird durch die Genauigkeit der internen D/A-Wandler und das Wärmerauschen beschränkt.

Wenn hohe Auflösungen erforderlich, aber niedrige Bandbreiten akzeptabel sind, kommen Sigma-Delta-A/D-Wandler zum Einsatz. Bei diesen wird Überabtastung eingesetzt. Bei der n-fachen Abtastfrequenz wird die Auflösung und Genauigkeit des Wandlers erhöht und die Rauschenergie verteilt sich auf einen breiteren Frequenzbereich.

Weil der Wandler nur 1 Bit verwendet, führen die überabgetasteten Ergebnisse zu der in Bild 5 gezeigten digitalen Pulssequenz. Da die Stabilität eines Sigma-Delta-Wandlers nicht immer garantiert ist, kann die Schaltung aufwendige Modellierung erfordern. Hier sind sowohl Fähigkeiten als auch Erfahrung des ASIC-Anbieters erforderlich, um einen Erfolg zu garantieren.

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