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A/D-Wandler Warum man die Datenblattwerte von A/D-Wandlern nie erreicht

| Autor / Redakteur: Michael Steffes * / Kristin Rinortner

Ist der A/D-Wandler in Ihrer Schaltung so gut, wie er laut Datenblatt sein soll? Wahrscheinlich nicht. Wir zeigen, welche Punkte Sie beachten müssen, um die optimale Leistungsfähigkeit zu realisieren.

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Bild 1: Charakterisierungs-Schaltplan für den A/D-Wandler ISLA216P25 (16 Bit, 250 MSample/s)
Bild 1: Charakterisierungs-Schaltplan für den A/D-Wandler ISLA216P25 (16 Bit, 250 MSample/s)
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Bei der Charakterisierung eines Bauteils werden alle Parameter, die letztendlich im Datenblatt zu finden sind, vermessen. Hersteller von Highspeed-A/D-Wandlern setzen Berge in Bewegung, um die besten Werte für SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) und SFDR (störungfreier Dynamikbereich) im Labor und beim Test für ihre Datenwandler zu erzielen. Dabei handelt es sich um eine Art Wettrüsten zwischen den Herstellern, bei dem es nur um die besten Zahlen im Datenblatt geht.

Diese werden wahrscheinlich in keinem realen System erreicht und man kann als Entwickler nur hoffen, dass man nicht mehr vom Dynamikbereich verliert als absolut notwendig ist. In diesem Artikel wird die ungewöhnliche Testumgebung beschrieben, in der A/D-Wandler charakterisiert werden, und welche Punkte man beachten sollte, um die wesentlichen Möglichkeiten auszuschöpfen.

Beste Ergebisse für SNR und SFDR im Labor

Die verschiedenen Hersteller von Highspeed-A/D-Wandlern haben ziemlich ähnliche Methoden für die Bauteil-Charakterisierung entwickelt. Die meisten orientieren sich an Single- oder Multi-Tone-FFT (Fast Fourier Transform, dt. schnelle Fourier-Transformation), wobei sich das Ergebnis in wenigen Zahlen ausdrücken lässt: SNR (Signal to Noise Ratio, dt. Signal-Rausch-Verhältnis), HD (Harmonic Distortion, dt. harmonische Verzerrungen), SFDR (Spurious Free Dynamic Range, dt. störungfreier Dynamikbereich) und ENOB (Equivalent Number of Bits, dt. effektive Bitanzahl) sind sehr typische Parameter. In unzähligen Literaturquellen werden die Hintergründe detailliert beschrieben. Um zum Beispiel den besten SNR-Wert für einen A/D-Wandler zu erzielen, benötigt man typischerweise

  • eine Signal- und Taktquelle mit extrem niedrigem Phasenrauschen und
  • ein Taktsignal mit großer Amplitude, um möglichst schnell über die Schwelle für das Sampling zu kommen.
  • Oft steht das Taktsignal in einer festen Phasenlage zum Eingangssignal und es wird eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen des Eingangssignals abgetastet – dadurch kann man auf das „Windowing“ bei der FFT verzichten und verringert, aber eliminiert nicht, Verluste im Spektrum.
  • Eine sehr niedrige Quellenimpedanz, aus der das Signal in den A/D-Wandler getrieben wird. Das verringert das Widerstandsrauschen der Quelle und verbessert meist das SNR ungepufferter ADC-Eingänge.

In Wahrheit gibt es noch weitere Punkte. Schaut man sich ein typisches Board für die Charakterisierung eines A/D-Wandlers an, dann benutzen die meisten Hersteller Varianten der Methode mit zwei Eingangsübertragern. Ein Beispiel zeigt Bild 1, bei dem der Eingangspegel für einen 250-MSample/s-ADC mit 16 Bit (ISLA216P25) angepasst wird.

Auf dem Board befinden sich zwei Widerstände mit Werten von 13,7 Ω an der Stelle, wo im Schaltplan L5 und L6 gezeigt werden. Mit dem Wicklungsverhältnis von 1,41:1 von T5 wird der Eingang mit ziemlich genau den erwünschten 50 Ω abgeschlossen, wenn der Eingangswiderstand des ADC parallel zu der gesamten Shunt-Impedanz von 27,4 Ω liegt.

Während dies hilfreich ist, um eine niedrige Treiberimpedanz zu bekommen (12,5 Ω || 13,7 Ω = 6,5 Ω auf beiden Seiten), braucht man nun ein entsprechend größeres Eingangssignal, um den Vollausschlagswert (FS) zu erreichen. Bei diesem A/D-Wandler mit 2 Vss FS ergeben sich mit der Dämpfung von 3 dB, den Einfügedämpfungen der Übertrager und dem Wicklungsverhältnis nun 17 dBm an J3 (entspricht 4,5 Vss). Auf diesem Weg konnte mit dem ISLA215P25 ein SNR-Wert für ein Eingangssignal von 105 MHz von 74,5 dBFS erzielt werden. Nicht zu vergessen sei hier, dass man entsprechend hochgenaue Messgeräte benötigt, um die jeweiligen Werte für den A/D-Wandler zu erzielen.

Der passive Schaltkreis in Bild 1 hat eine sehr hohe Bandbreite. Schaut man sich die Daten der Übertrager an, kommt man auf einen –3-dB-Bereich von 10 MHz bis >1 GHz. Würde man bei einer so großen analogen Bandbreite nicht weitaus mehr Rauschen an den Eingangs-Pins integrieren und somit einen schlechteren SNR-Wert bekommen?

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