Analog-/Mixed-Signal-ICs Beschaltung von schnellen Datenwandlern D er Bedarf an schnellen Datenwandlern nimmt zu, da ihre Einsatzbereiche sehr stark wachsen. Diese Art von Wandlern ist u.a. in den Bereichen drahtlose Datenübertragung, kabelgebundene Kommunikation oder in Testsystemen wie z.B. Spektrumanalysatoren zu finden. Mit „schnellen Datenwandlern“ sind Wandler mit Abtastraten von über 20 Millionen Wandlungen pro Sekunde gemeint. Bei solchen Wandlern gilt es hauptsächlich folgende Bereiche zu betrachten: ➜ ➜Analoger Eingang ➜ ➜Referenz-Eingang ➜ ➜Spannungsversorgung ➜ ➜Takteingang ➜ ➜Datenschnittstelle Analog-Eingang, Datenschnittstelle, Takteingang und Spannungsversorgung sind die kritischen Parameter für gute und schnelle Datenwandler-Schaltungen. Bei den analogen Eingängen geht es um die richtige Auswahl des Operationsverstärkers, der Filter und der Referenzspannungsquelle. Von Thomas Tzscheetzsch Ground Bouncing) nicht auf die Signalleitungen aus. Eingangsbeschaltung Jeder A/D-Wandler benötigt eine Eingangsbeschaltung, um das Signal an die Eingangsstufe des Wandlers anzupassen. Die Aufgaben dieser Eingangsbe- Parameter Bevorzugte Schaltungsvariante große Bandbreite mit geringen Verlusten Übertrager Verstärkung größer als 1 Operationsverstärker flache Übertragungskennlinie innnerhalb der Bandpass-Frequenz Operationsverstärker geringe Verlustleistung geringes Rauschen Wechselspannungs-/Gleichspannungskopplung Übertrager Übertrager Übertrager (entfernt Gleichspannungsanteil) Operationsverstärker (kann Gleichspannungspegel erhalten) Tabelle 1. Gegenüberstellung Übertrager und Operationsverstärker im Eingangspfad In diesem ersten Teil des Artikels werden die analogen Eingänge behandelt, das heißt, der Signal-Eingang und der Referenz-Eingang. Der Großteil der schnellen Datenwandler besitzt differenzielle analoge Eingänge und oft auch differenzielle Takteingänge sowie differenzielle Ausgänge, um die Daten schnell und stör­ unanfällig an das FPGA oder den DSP auszugeben. Wenn diese differenziellen Ein- und Ausgänge richtig angepasst sind, helfen sie, die Linearität zu verbessern, und reduzieren das Überschwingen bei schnellen Signalwechseln. In differenziellen Signalwegen heben sich gewisse Störungen auf, da es keinen direkten Bezug zur Massefläche gibt. Damit wirken sich Pegelschwankungen in der Massefläche (sogenanntes schaltung sind z.B. die Pegelanpassung, die Wandlung des Signals von massebezogen in differenziell, die Anhebung des Signals, die Anpassung der Impedanz und die Begrenzung der Bandbreite (typisch mit Tiefpass- oder BandpassFiltern). Die Eingangsbeschaltung kann in zwei Arten erfolgen: aktiv mit Operationsverstärkern und passiv mit Übertragern. Jede dieser beiden Schaltungsarten hat gewisse Vor- und Nachteile, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Wenn eine Gleichspannungskopplung benötigt wird, ist dem Verstärker in jedem Fall der Vorzug gegenüber dem Übertrager zu geben, da letztere nur Wechselspannungen übertragen können. Eine weitere Anwendung für den Verstärker ist die Möglichkeit, dass sich die Verstärkung in weiten Bereichen einfach einstellen lässt. Bei einem Übertrager sind hier verschiedene Windungsverhältnisse nötig, beim Verstärker nur verschiedene Widerstandswerte. Bei allen anderen Anwendungen müssen die oben genannten Vor- und Nachteile abgewogen werden. Eingangsstrukturen der Wandler Die meisten der schnellen Datenwandler haben Eingänge mit einer differenziellen Sample-and-Hold- (SH) Verstärker-Struktur. Diese SH-Glieder halten den analogen Wert für die Dauer der Wandlung fest. In Bild 1 ist eine Eingangsstufe dargestellt. Bei der Erfassung des Messwertes (Sample, S) sind die mit S gekennzeichneten Schalter geschlossen. In diesem Status werden die beiden Sample-Kondensatoren (Cs) auf die an den Eingängen Uin anliegende Spannung aufgeladen. Die Kondensatoren Cp zeigen die parasitären Kapa4 pF Ch H Uin+ 16 pF Cp S H 4 pF Cs A Uin– 16 pF Cp S int. S + Out– Vocm Out+ – 4 pF Cs int. S 4 pF Ch H Bild 1. Ersatzschaltbild der vereinfachten Eingangsstruktur eines typischen Eingangsglieds. Cp = 16 pF, Cs= 4 pF und (alle Bilder: Analog Devices) Ch = 4 pF. Elektronik 14/201431 Analog-/Mixed-Signal-ICs Entladephase von Cs führt. Dieses S CS Verhalten erzeugt UIN+ eine dynamische CPAR1 CPAR2 Last gegenüber H S S CS der Signalquelle. UIN– Aus diesem Grund CPAR1 CPAR2 S ist es sinnvoll, eiS CFB nen OperationsBIAS verstärker als Puffer vor dem WandBild 2. Eingangsstruktur eines modernen 14-bit-ADC mit 250 MS/s ler einzusetzen. (AD9643). CPAR = parasitäre Kapazität und CFB = Rückkopplungs- (FeedDieser kann außerback-) Kapazität. dem zur Anhezitäten der Schalter sowie die Streukabung des Signals genutzt werden und pazitäten der Eingänge. verhindert die Rückwirkung der dynaDer nächste Schritt ist die Wandlung mischen Last auf die Signalquelle. der auf Cs gespeicherten Werte. Nun Bild 1 stellt die Eingangsstruktur eiwerden die mit S gekennzeichneten nes typisches Eingangsglieds vereinSchalter geöffnet und die mit H gekennfacht dar. Moderne Wandler haben eine zeichneten Schalter geschlossen. Dabei modifizierte Struktur mit anderen Kawerden die Sample-Kondensatoren von pazitäten, wie Bild 2 zeigt. den Eingängen getrennt und laden die beiden Hold-Kondensatoren (Ch) auf. Der richtige Operationsverstärker Diese Spannungspegel werden durch für die Anwendung den differenziellen Verstärker A für die folgende interne Stufe gepuffert. Dieser Die modernen differenziellen Verstärker Vorgang läuft mit der im Datenblatt bieten eine einfache Möglichkeit zur angegebenen Geschwindigkeit ab Anpassung von Signalquelle und Ein(Sample Rate). Bei den nicht gepufferten gangsimpedanz des Wandlers. Mit dem Wandlern, wie in diesem Beispiel, sind VOCM-Pin kann der Bereich der Ausgangsspannung des Operationsverstärdie analogen Eingänge direkt mit den Sample-Kondensatoren verbunden, was kers auf den korrekten Bereich für den zu Transienten während der Lade- und A/D-Wandler gebracht werden, da die BIAS CFB modernen Bausteine häufig einen entsprechenden Ausgang für die Verbindung zum VOCM des Operationsverstärkers besitzen. Doch wie wähle ich den richtigen Verstärker für meine Anwendung aus? Dazu betrachten wir ein konkretes Beispiel. Ein A/D-Wandler vom Typ AD9445 (14 bit, 125 MS/s), der mit 5 V Versorgungsspannung betrieben wird, soll ein Gleichspannungs-Eingangssignal mit einer Bandbreite bis 50 MHz einlesen. Das Signal hat einen Pegel von 1 V differenziell und soll mit 2 V den maximalen Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers speisen. Die interne 1-V-Referenzspannung des A/D-Wandlers wird hierbei genutzt. Ein wichtiger Parameter ist die Fre­quenz­antwort, was für den Verstärker bedeutet, dass er eine kurze Einschwingzeit besitzen muss. Mit diesen Vorgaben passt am besten ein Verstärker aus der mittleren Spalte von Tabelle 2. Ein gutes Hilfsmittel für die ersten Annäherungen bietet die kostenlose Software „ADI DiffAmpCalc“. (Bild 3) Mit dieser Software können, nach Auswahl eines differenziellen Operationsverstärkers, die Ein- und Ausgangssignale dargestellt werden. In unserem Beispiel haben wir den ADA4939 ausgewählt. Laut Datenblatt ist der ADA4939 die ideale Wahl, um A/D-Wandler mit einer 13 –VS VCC –VS –VS –VS –VS 14 –VS 15 –VS 16 +IN 0.4× ~ ~ S 1.25 kΩ +IN 0.8× 2 1.25 kΩ 1.25 kΩ –IN 0.8× 3 + AD8475 – 11 –OUT 10 +OUT 1.25 kΩ +VS 7 +VS 6 –IN 0.4× 5 + – 12 PD 11 –OUT 10 +OUT 9 VOCM VIP1 VIN1 VIN2 RG1 RG1 RG2 ENBL VON + – + – + – VCOM – + RF VOP ADL 5565 GND AD81xx/ADA49xx AD83xx/ADL55xx < 15 MHz 15 MHz bis 5 GHz 700 MHz bis 6 GHz Versorgungsspannung 3 V bis 18 V 3 V bis 26 V 2,8 V bis 10 V 330 µA bis 3,2 mA 1,25 mA bis 60 mA 28 mA bis 80 mA Eingangsspannung kann größer als die Versorgungsspannung sein Eingangsspannung muss unterhalb der Versorgungsspannung liegen Eingangsspannung liegt innerhalb von einigen 100 mV um die Mittenspannung (Input common mode voltage, ICMV) herum 16 bit, 250 kS/s 18 bit, 4 MS/s 10 bit im Bereich von GS/s 16 bit bis 100 MS/s 18 bit bis 1 MS/s 10 bit im Bereich von GS/s 16 bit bis 250 MS/s Stromaufnahme Typische Anwendungen Tabelle 2. Beipiele differenzieller Verstärkertypen 32 1 2 3 4 VIP2 RG2 AD82xx/AD84xx Bandbreite Verhältnis Eingangsspannung zu Versorgungsspannung 9 VOCM –FB +IN –IN +FB ADA4930-1 +VS 8 1 kΩ –IN 0.4× 1 RF 16 15 14 13 12 NO CONNECT +VS 5 +VS 6 +VS 7 +VS 8 1 kΩ +IN 0.4× 1 Elektronik 14/2014 Analog-/Mixed-Signal-ICs Auflösung von bis zu 16 bit von Gleichspannung bis zu einer Bandbreite von 100 MHz zu treiben. Für unsere Anwendung haben wir eine differenzielle Eingangsspannung eingestellt. Im linken Bereich ist eine Darstellung des Eingangssignals zu finden. Als Nächstes stellen wir die Verstärkung von 2 ein und wählen einen Widerstandswert für Rg – in unserem Fall 200 Ω. Die zu treibende Last (der A/D-Wandler) ist eine differenzielle Last und wird dementsprechend in der Software ausgewählt. Als Letztes wählen wir die Versorgungsspannung des Verstärkers und den Tiefpass-Filter mit einer Eckfrequenz von 60 MHz aus. Die Software liefert uns jetzt Daten zu den Rauschwerten der Widerstände und des Verstärkers. Ebenso bekommen wir die maximal mögliche Anzahl von Bits, die der Verstärker in Verbindung mit einem A/D-Wandler liefern kann, in diesem Fall 13,9 bit. Anti-Aliasing Filter (AAF) Bei den besprochenen Wandlern ist es empfehlenswert, einen sogenannten Anti-Aliasing Filter vorzusehen, um Abtastfehler bei der Umwandlung von analogen zu digitalen Signalen zu reduzieren. Laut dem Theorem von NyquistShannon muss ein Signal mit mindestens der doppelten Signalfrequenz abgetastet werden, um die korrekte Rekonstruktion zu ermöglichen. Ist dies nicht der Fall, werden Frequenzanteile, die höher als die halbe Abtastrate sind, als niedrigere Frequenzen interpretiert (Unterabtastung). Dies ist der sogenannte Alias-Effekt. Zur Reduzierung des Alias-Effekts wird typischerweise ein Tiefpass oder Bandpassfilter vor den A/D-Wandler geschaltet. Dadurch werden die Frequenzen über der Nyquist-Frequenz gedämpft. Dieses Filter sollte möglichst steilflankig sein, was durch eine hohe Ordnung des Filters zu erreichen ist. Trotz bestem Filter werden immer noch Teile der ungewünschten Frequenzen übertragen, daher ist immer ein Kompromiss zwischen Dämpfung der ungewünschten Frequenzen und Erhaltung des Nutzsignals bei der Wahl der Grenzfrequenz zu beachten. Eine einfache Methode, um die Anforderungen an das Filter zu reduzieren, ist die Überabtastung des Signals. Dabei wird das Signal mit einer deutlich höheren Frequenz als der doppelten Signalfrequenz abgetas- Bild 3. Screenshot der Entwicklungs-Software „ADI DiffAmpCalc“. tet. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Anforderungen (Wandelfrequenz) an den A/D-Wandler steigen und auch im DSP oder FPGA deutlich mehr Daten verarbeitet werden müssen. Durchlassbereich des Filters vermieden werden ➜ ➜Der Eingang des A/D-Wandlers muss über den parallelen externen Widerstand angepasst werden; die Serienwiderstände dienen zur Reduzierung Anpassung der Ein- und Ausgangs­ von Spannungsspitzen impedanzen Der Designprozess sollte wie folgt ablaufen: In Bild 4 wird ein breitbandiger Trans1. Der Widerstand zur Terminierung des A/D-Wandlers (RTADC) sollte so geformator benutzt, der das massebezogene Signal in ein differenzielles Signal wählt werden, dass die parallele Komumwandelt. Der folgende Operationsbination aus RTADC und RADC zwischen 200 Ω und 400 Ω liegt. verstärker verstärkt das Signal, wobei die Verluste, die in den Filterstufen 2. Der Widerstand RKB sollte an die auftreten, ausgeglichen werden könEmpfehlung des Datenblatts des A/Dnen. Außerdem kann er gleichzeitig als Wandlers angepasst sein; typische WerImpedanzwandler dienen, um die Einte liegen zwischen 5 Ω und 36 Ω. 3. Die Last des Filters ergibt sich aus gangsimpedanz von typisch 50 Ω auf die Impedanz des A/D-Wandlers von ZAAFL = RTADC || (RADC + 2RKB) typisch einigen 100 Ω anzupassen. Um 4. Die Wahl der Serienwiderstände das beste Ergebnis aus der Schaltung des Operationsverstärkers MEV_EK14.pdf;S: 1;Format:(90.00 x 62.00 mm) sollte im zu bekommen, müssen einige Dinge beachtet werden: ➜ ➜Der Operationsverstärker sollte Integrierter 4A die Last sehen, Schrittmotortreiber die im Datenblatt angegeben ist • Höhste Laufruhe ➜ ➜Der richtige Se• Patentierte Stromregelung rienwiderstand • 256 Mikroschritte muss zwischen • Takt / Richtung & SPI Operationsver• Sensorlose Lasterkennung www.mevmotion.com stärker und Last • Lastabhängiger Motorstrom – in diesem Fall • Niedrige Verlustleistung das AAF – einge• Kompatibel zu TMC 260/261 ELEKTRONIK SERVICE GmbH setzt werden, [email protected] damit Spitzen im Extrem stark! TMC2660 Elektronik 14/201433 Analog-/Mixed-Signal-ICs Übertrager Analoger 1:1 Z Eingang ECT1-1-13M 0,1 μF Eingang Z = 50 Ω RT Z = 2RT RI 0,1 μF RA 0,1 μF RTAMP ZO/2 RI Verstärkung ZO/2 RTAMP RA 0,1 μF RT CAAF2 LAAF ZAL 0,1 μF RKB FILTER CAAF1 RTADC LAAF 0,1 μF CAAF2 ZAAFS ZAAFL RADC A/D-Wandler interner Eingang Z CADC RKB ZAAFL = RTADC (RADC + 2RKB) ZAL = 2RA + (ZAAFL 2RTAMP) ZAAFS = 2RTAMP (ZO + 2RA) Bild 4. Allgemeines Design der Eingangsstufe mit Tiefpass-Filter. folgenden Bereich liegen: Für eine Ausgangsimpedanz des Verstärkers von 100 Ω bis 200 Ω sollte RA etwa bei 10 Ω liegen; für eine deutlich kleinere Ausgangsimpedanz liegt RA typisch zwischen 5 Ω und 36 Ω. 5. RTAMP sollte so gewählt werden, dass die Last, die der Verstärker sieht, im optimalen Bereich des Datenblattwertes liegt. Dazu wird folgende Formel benutzt: ZAL = 2RA + (ZAAFL || 2 RTAMP) 6. Berechnung der Filter-QuellenImpedanz ZAAFS = 2RTAMP || (Z0 + 2RA) 7. Das Filter kann man nun mit Hilfe eines Filterberechnungs-Tool und den Daten von Quell- und Lastimpedanz ZAAFS und ZAAFL, Art des Filters, Bandbreite und Ordnung des Filters berechnen. Die Bandbreite sollte etwas (ca. 20– 40 %) über der Hälfte der Wandelrate des A/D-Wandlers liegen, um einen flachen Verlauf der Kennlinie zwischen Gleichspannung und halber Wandelrate zu bekommen. 8. Von dem errechneten Wert des Filter-Tool für die Kondensatoren CAAF2 AVDD VIN+A VIN–A + – VREF CFILT VIN+A VIN–A Σ-∆ MODULATOR DRVDD TiefpassFilter AD9262 Σ-∆ MODULATOR sollte noch die interne Kapazität des A/D-Wandlers abgezogen werden. Nach diesen Berechnungen können die Werte noch mit den folgenden Empfehlungen abgeglichen werden: ➜ ➜Um die Empfindlichkeit des Filters auf die Streuung der internen Kapazitäten des A/D-Wandlers zu minimieren, sollte der Wert für CAAF2 mindestens 10 pF betragen, damit er ein Vielfaches der internen Kapazität hat. Hier hilft ein Blick in das Datenblatt des A/D-Wandlers , um den richtigen Bereich auszuwählen. ➜ ➜Das Verhältnis von ZAAFL zu ZAAFS sollte nicht größer als 7 sein, da die Filterprogramme typisch in diesem Bereich rechnen können. ➜ ➜Der Wert für CAAF1 sollte mindestens 5 pF betragen, um den Einfluss der parasitären Kapazität der Leiterplatte und der Bauteiltoleranzen zu minimieren. ➜ ➜Der Wert der Spule LAAF sollte in einem vernünftigen Bereich liegen, mindestens einige nH. TiefpassFilter AbtastratenWandler CMOSPuffer CLK+ CLK– DCO Phasenregelschleife (PLL) AbtastratenWandler ORA D15A D0A CMOSPuffer Serielle Schnittstelle D15B D0B ORB AGND SDIO SCLK CSB DGND Bild 5. Beispiel eines CTSD-Wandlers. RTAMP = Terminierungswiderstand für den Operationsverstärker (Termination Amplifier), CAAF = Kapazität Anti-Aliasing Filter, ZAL = Impedanz der Last des Operationsverstärkers (Impedance of Amplifier Load), ZAAFL = Impedanz der Last des Anti-Aliasing Filter (Impedance of Anti-Aliasing Filter Load) und ZAAFS = Impedanz der Quelle des Anti-Aliasing Filter (Impedance of Anti-Aliasing Filter Source). 34 Elektronik 14/2014 „Continuous Time Sigma Delta“-Wandler (CTSD-Wandler) Bei den bisher behandelten Wandlern handelt es sich ausschließlich um Wandler mit einer Pipeline-Architektur und geschalteten Kondensatoren im Eingang. Neben diesen sehr weit verbreiteten Typen gibt es auch noch eine andere, eher weniger beachtete Technik, die CTSD-Wandler (Bild 5). Im Gegensatz zu nicht gepufferten Wandlern, die eine hauptsächlich kapazitive Last darstellen, hat der CTSDWandler eine Eingangsstufe mit einer ohmschen Last. Diese Tatsache vereinfacht die externe Beschaltung, da verschiedene Baugruppen schon integriert sind. An Bild 6 erkennt man, dass der CTSD-Wandler kontinuierlich arbeitet – er hat keine Umschaltung im Eingangskreis. Durch das Fehlen von Schaltern können die CTSD-Wandler mit höherer Taktfrequenz betrieben werden und haben einen geringeren Leistungsbedarf bei vergleichbarer Taktrate. Ein weiterer Vorteil ist der integrierte AntiAliasing Filter (Tiefpass). Dieser muss beim CTSD-Wandler nicht extern vorgesehen werden. Durch das typische Überabtasten, auch Oversampling genannt, in Größenordnungen von 32 oder mehr, sind die Anforderungen an das Filter nicht mehr so groß. Durch die hohe Taktrate, die um die Überabtastungsrate höher als die Datenrate am Ausgang des Wandler ist, werden die ungewünschten harmonischen Abbilder der Taktquelle in einen Bereich außerhalb des interessanten Analogbereiches verschoben. Referenzspannung Je höher die Auflösung eines Datenwandlers ist und je größer die gewünschte Genauigkeit sein soll, um so wichtiger ist eine stabile Referenzspannungsquelle. Um die richtige Quelle zu wählen, ist ein Blick in das Datenblatt nötig. Viele Wandler besitzen eine interne Referenzspannungsquelle, die schon die geforderte Genauigkeit mitbringt. Kann oder möchte man die interne Referenz nicht nutzen, ist es wichtig, neben der richtigen Referenzspannungsquelle auch den richtigen Operationsverstärker als Puffer zu wählen. Der Referenzeingang des A/D-Wandlers stellt für die Quelle eine dynamische, kapazitive Last dar. Die Frequenz berechnet sich aus der Anzahl der zu wandelnden Bits multipliziert mit der Abtastfrequenz des Wandlers. Das Bit mit der höchsten Wertigkeit (MSB, most significant bit) benötigt hier den höchsten Strom. Aus diesem Grund sollte eine sogenannte Bandgap-Referenz, die einen internen Pufferverstärker besitzen kann, gewählt werden. Alternativ kann ein externer Operationsverstärker zum Einsatz kommen. Das Ziel ist es, einen Analog-/Mixed-Signal-ICs es wichtig, die richtige Architektur des Wandlers für die Ausgang – jeweilige Anwendung ausA/DAbtastraten– + + + Wandler Wandler zuwählen. Dann folgt die Auswahl der Treiberstufen und Filter für den analogen Eingang und auch für den Z–1/2 Referenzeingang. Mit diesen analogen Komponenten ist Bild 6. Prinzipschaltbild eines CTSD-Wandlers. jedoch das Design noch nicht abgeschlossen. Die Betrachtung der Datenschnittstelle, des maximalen Spannungseinbruch der ➜ ➜er sollte eine niedrige Ausgangsimpedanz über den nötigen FrequenzTakteingangs und der SpannungsverReferenz von der Hälfte des kleinsten bereich besitzen. sorgung finden Sie online unter Bits (LSB, least significant bit) zu erreiFür die Genauigkeit der Wandlung www.elektroniknet/datenwandler. mb chen. Die Bandbreite des Operationsist es wichtig, dass die Referenz ein verstärkers sollte mindestens sein: deutlich, mindestens um den Faktor 5 geringeres Rauschen als der A/D-WandBandbreite (G=1) = Wandelrate × Aufler besitzt. Ein weiteres wichtiges KriteThomas Tzscheetzsch lösung rium ist ein guter Temperaturkoeffizient. arbeitet als Senior Field Applications Engineer bei Analog Diese beiden Parameter sind auch bei Wichtige Eigenschaften für einen Puffer Devices. Nach einer Anstellung der Auswahl des Operationsverstärkers sind: beim Max-Planck-Institut für zu beachten. ➜ ➜Er muss mit einer Verstärkung von 1 Sonnensystemforschung, wo stabil betrieben werden können er als Entwickler im Bereich (Spannungsfolger), Zusammenfassung wissenschaftliche Kameras für Forschungssatelliten tätig ➜ ➜er muss große kapazitive Lasten war, kam er über die Elektronik-Distribution im Jahre 2010 Um ein möglichst gutes Resultat bei treiben können (typisch größer als zu Analog Devices. schnellen Wandlungen zu erhalten, ist 1000 pF) und D/AWandler D/AWandler Eingang Elektronik 14/201435