Analogtechnik für Digitalentwickler

| Autor / Redakteur: Bonnie Baker * / Kristin Rinortner

Analogentwicklung: Tipps für Digitalentwickler, die in die „dunklere“ Seite der Schaltungsentwicklung eintauchen müssen.
Analogentwicklung: Tipps für Digitalentwickler, die in die „dunklere“ Seite der Schaltungsentwicklung eintauchen müssen. (Bild: Uwe Moser, Finkenweg 8, 70806 Kornwestheim)

Zwischen der analogen und der digitalen Denkweise gibt es grundlegende Unterschiede. Wir geben einen kleinen Exkurs in die Unterschiede zwischen Analog- und Digitalentwicklung.

Ich habe schon oft die Meinung gehört: einmal Analogentwickler, immer Analogentwickler (und umgekehrt Digitalentwickler). Jeder dieser Entwickler hat seine Eigenarten und gute Gründe, warum er nicht beide Techniken beherrscht. Ich glaube aber, dass sich die Zeiten ändern.

Mein Eindruck ist, dass alle Ingenieure und Entwickler heute an das Zeichenbrett zurückkehren und beide Betrachtungsarten im Hinblick auf die Präzision, die Abhängigkeiten zwischen Hardware und Software sowie die Zeitdefinition kennen sollten.

Denn der grundlegende Unterschied zwischen der analogen und der digitalen Denkart liegt in den Definitionen für Präzision, Zeit und den Abhängigkeiten zwischen Hardware und Software. Bei der Präzision hätte man sich mit der Frage zu beschäftigen, wie gut die eingesetzten Analogbausteine auf die anstehende Aufgabe abgestimmt sind oder wie effizient die verwendete Software den digitalen Code ausführt.

Analogentwicklern ist schnell klar, dass Hardware-Änderungen schwierig sind, während Digitalentwickler mit ein paar Anschlägen auf der Computertastatur Änderungen an der Software vornehmen können. In der Analogentwicklung werden die Entscheidungen des Entwicklers von Frequenzbetrachtungen dominiert. In der Digitalentwicklung spielt dagegen die Ausführungszeit eine wichtige Rolle.

Was Präzision in der Analogtechnik bedeutet

Wie definiert man, wie präzise eine Analogschaltung sein muss? Diese Frage lässt sich auf drei Arten beantworten. Eine davon lautet: „So präzise wie nötig.“ So genügt es bei einigen Schaltungen, wenn sie auf ein oder zwei Millivolt genau arbeiten, während bei anderen eine Genauigkeit bis in den Sub-Mikrovoltbereich hinein erforderlich ist. Dieser Unterschied in den Systemanforderungen animiert den Entwickler dazu, sich bei einigen Systemen mit dem Kriterium „genau genug“ zufriedenzugeben und sich bei anderen die Frage zu stellen: „Wie viel kann ich noch aus dieser Schaltung herausholen?“

Ein zweites Verfahren zur Erzielung von Genauigkeit setzt voraus, dass der Entwickler die Wirkungsweise der Bauelemente und Komponenten, mit denen er arbeitet, wirklich verstanden hat. Was Bauelemente angeht, so haben ein 1-kW-Widerstand oder ein 20-pF-Kondensator – und das gilt in diesem Zusammenhang für jeden Widerstand oder Kondensator – nicht immer die aufgedruckten Absolutwerte.

So können sich beispielsweise Temperaturänderungen dramatisch auf die tatsächlichen Werte dieser beiden Bauelemente auswirken. Daneben weisen die Nennwerte aller im Labor verwendeten Bauelemente fertigungsbedingte Streuungen von einem Exemplar zum anderen auf. Zusammen können diese beiden wichtigen Einflussfaktoren das Verhalten einer Schaltung dramatisch verändern, wenn sie nicht gebührend berücksichtigt werden.

Maximalwerte, Minimalwerte und typische Werte

Was elektronische Bausteine angeht, werden in den Produktdatenblättern meist maximal und minimal garantierte Werte sowie typische Werte angegeben. Die garantierten Werte sind selbsterklärend: Die verwendeten Bausteine werden diese spezifizierten Werte nicht überschreiten, solange die spezifizierten Bedingungen eingehalten werden und solange die Bausteine nicht durch höhere Temperaturen oder Spannungen überlastet werden.

Typische Werte in einem Produktdatenblatt sind eine andere Sache. Um diese Werte festzulegen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, und jeder Hersteller hat seine eigenen Verfahren und Rechtfertigungen für die Berechnung dieser Werte. So bestimmen einige Hersteller vor der ersten Produktfreigabe als typischen Wert den Mittelwert einer größeren Zahl von Mustern eines Bausteins. Dabei können Umfang und Eigenschaften der Stichproben beträchtlich variieren.

So versuchen beispielsweise einige Hersteller besonders gründlich zu sein, indem sie Hunderte von Mustern aus drei oder mehr Wafer-Produktions-Chargen auswählen, während andere nur eine kleine Zahl von Mustern (15 bis 30) aus ein und demselben Wafer verwenden, um daraus typische Werte zu bestimmen. Das letztere Verfahren dürfte dabei sicher keine so verlässlichen Aussagen für das Langzeitverhalten des betreffenden Bausteins liefern.

Neben der Anzahl der Muster können auch die Verfahren zum Berechnen der typischen Werte variieren. Einige Hersteller definieren ihre typischen Werte als Werte, die gleich einer Standardabweichung plus Mittelwert sind. Andere benutzen lediglich den Mittelwert als eine typische Größe für ihre Spezifikationen. Wieder andere ziehen ihre SPICE-Simulation zur Bestimmung der endgültigen Richtwerte für die typischen Spezifikationsgrößen heran.

Eine kurze Warnung an dieser Stelle: Unabhängig davon, wie ein Hersteller den in seiner Spezifikation oder seinem Datenblatt veröffentlichten typischen Wert bestimmt – entwickeln Sie Ihre Schaltung NICHT auf der Grundlage typischer Spezifikationen. Arbeiten Sie stattdessen stets mit den minimalen und maximalen Spezifikationen.

Der dritte für die Genauigkeit relevante Aspekt ist das Rauschen, und hierfür benötigen Sie einige Kenntnisse über statistische Berechnungen unter Verwendung großer Musterzahlen.

Einige Gedanken zum Rauschen

Rauschen in der Elektronik kann zufallsbedingt sein. Wenn es sich zufällig über das Frequenzspektrum verteilt, enthält es keine kohärenten Frequenzen. Rauschen entsteht in allen analogen Bauelementen, gleichgültig, ob es sich um passive oder aktive Bauelemente handelt. Wenn Sie die Rauschereignisse in Ihrer Schaltung abtasten, werden diese über der Zeit eine Normalverteilung aufweisen.

Fallen die Rauschabtastwerte in eine Normalverteilung, schwanken wiederholte Abtastungen um einen zentralen Wert. Die Verteilung ist ungefähr symmetrisch um diesen zentralen Wert herum angeordnet. Sie führt zu einer Kurve, die am Mittelpunkt ein Maximum erreicht und zu beiden Seiten bis auf Null abfällt. Da diese Verteilung mit dem zentralen Grenzwertsatz im Einklang steht, können Sie Standardberechnungen wie etwa die der mittleren Abweichung und der Standardabweichung anwenden, um den allgemeinen Betrag künftiger Rauschereignisse bezüglich der Normalverteilungskurve zu berechnen.

Hardware versus Software

Es gibt einige pragmatische Denkansätze, wenn Sie sich dazu entschließen, ein analoges Konzept zu verfolgen: Machen Sie sich beim Entwurf einer Hardware mit den grundlegenden Eigenschaften Ihrer Bauelemente vertraut, verschaffen Sie sich die nötigen Kenntnisse über das Verhalten der wichtigsten Schaltungsbausteine, und unterziehen Sie Ihre Schaltungen immer zuerst einer eingehenden Simulationsanalyse. Denken Sie daran, dass auch Fragen des Leiterplattenlayouts, die hier nicht weiter behandelt werden, der nötigen Beachtung bedürfen.

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