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Datenwandler

A/D-Wandler für hohen Dynamikbereich – Sukzessive Approximation oder Sigma/Delta?

| Autor: Kristin Rinortner

Aufmacher RAQ
Aufmacher RAQ (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Frage: Für eine medizinische bildgebende Anwendung brauche ich einen Dynamikbereich von 100 dB. Können Sie mir bei der Wahl der Wandlerarchitektur – Sukzessive Approximation oder Sigma/Delta – helfen?

Antwort: Leistungsstarke Signalketten für die Datenerfassung, die in Industrie-, Messtechnik- und Medizingeräten eingesetzt werden, verlangen einen großen Dynamikbereich und hohe Genauigkeit. Der Dynamikbereich eines A/D-Wandlers lässt sich mit einem PGA (Programmable-Gain Amplifier) vergrößern. Alternativ kann man mit mehreren parallel geschalteten ADCs arbeiten und digitale Nachbearbeitung nutzen, um das Ergebnis zu mitteln.

Doch diese Methoden können sich aufgrund von Entwicklungsvorgaben hinsichtlich Leistungsaufnahme, Platzbedarf und Kosten als nicht praktikabel erweisen. Mit Überabtastung (Oversampling) kann ein A/D-Wandler bei niedrigen Kosten einen hohen Dynamikbereich erreichen. Zugleich lassen sich Herausforderungen hinsichtlich Platzbedarf, Wärmeentwicklung und Leistungsaufnahme adressieren.

Überabtastung erfolgt, indem man das Eingangssignal mit einer wesentlich höheren Frequenz als die Nyquist-Frequenz abtastet (die doppelte Signalbandbreite), um das SNR (Signal-to-Noise Ratio) und die effektive Bitzahl (ENOB) zu erhöhen. Wird der A/D-Wandler überabgetastet, verteilt sich das Quantisierungsrauschen so, dass sein größter Teil außerhalb der relevanten Bandbreite liegt. Daraus resultiert ein höherer gesamter Dynamikbereich bei niedrigen Frequenzen. Das Rauschen außerhalb der relevanten Bandbreite kann durch digitale Nachverarbeitung eliminiert werden.

Das OSR (Oversampling Ratio) ist die Abtastrate dividiert durch die Nyquist-Frequenz. Die Verbesserung des Dynamikbereichs (DR) aufgrund von Oversampling ist DR = log2 (OSR) × 3 dB. Zum Beispiel sorgt ein Oversampling des A/D-Wandlers um einen Faktor von 4 für einen um 6 dB höheren Dynamikbereich oder für ein zusätzliches bit an Auflösung.

Oversampling ist in den meisten Sigma/Delta-ADCs mit integrierten Digitalfiltern implementiert, bei denen die Modulator-Taktfrequenz typischerweise 32 bis 256 Mal die Signalbandbreite beträgt. Sigma/Delta-ADCs sind jedoch für Anwendungen nicht geeignet, die ein schnelles Umschalten zwischen den Eingangskanälen verlangen. Die SAR-Architektur weist weder Latenz, noch Pipeline-Verzögerungen auf. Dies ermöglicht sehr schnelle Steuerschleifen und ein schnelles Umschalten zwischen Eingangskanälen. Außerdem erlaubt der hohe Durchsatz der SAR-Architektur Oversampling.

Obwohl beide ADC-Topologien niederfrequente Signale exakt messen können, skaliert der Energieverbrauch eines SAR-A/D-Wandlers mit der Durchsatzrate. Dies reduziert die Leistungsaufnahme um mindestens 50% verglichen mit Sigma/Delta-ADCs, die normalerweise eine feste Menge an Energie verbrauchen. Der 18 Bit SAR-ADC AD7960 mit 5 MSample/s ist ein Beispiel für einen hohen Durchsatz bei linearer Leistungsskalierung.

Der einem SAR-ADC vorgeschaltete Tiefpassfilter minimiert Aliasing und reduziert Rauschen durch Begrenzung der Bandbreite. Das hohe Oversampling-Verhältnis und der Digitalfilter von Sigma/Delta-ADCs minimieren die Antialiasing-Anforderungen an ihren Analogeingängen. Außerdem reduziert Oversampling das Gesamtrauschen. Für weitere Flexibilität kann individuelle Digitalfilterung auch im FPGA durchgeführt werden.

Aufgrund ihres niedrigen Grundrauschens und ihrer hohen Linearität können Hochleistungs-SAR-ADCs eine erhöhte Bandbreite sowie hohe Genauigkeit liefern und diskrete Abtastung ermöglichen. Und das in einem kleinen Zeitfenster, das für schnelle Mess- und Steuerapplikationen erforderlich ist. Ihr hoher Durchsatz sowie der geringe Energieverbrauch und die kleinen Abmessungen helfen Entwicklern, Herausforderungen hinsichtlich Platzbedarf, Wärmeentwicklung und Leistungsaufnahme sowie weitere bei Systemen mit hohen Kanaldichten Anforderungen zu erfüllen. SAR-ADCs bieten auch das niedrigste Grundrauschen, bezogen auf das Vollausschlags-Eingangssignal. Daraus resultiert ein höheres SNR und eine ausgezeichnete Linearität. Doch im Gegensatz zu Sigma/Delta-ADCs können sie nicht 1/f-Rauschen in der Nähe von DC (50/60 Hz) unterdrücken.

SAR- und Sigma/Delta-ADCs bieten jeweils eigene Vor- und Nachteile. Entwickler von Datenerfassungssystemen müssen stets Kompromisse bezüglich Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit, Platzbedarf, Leistung und Kosten eingehen.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

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