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Grundlagen

Auswahlkriterien für A/D-Wandler

| Autor / Redakteur: Der Autor Conor Power ist Product Marketing Manager bei Analog Devices in der Precision Signal Processing Gruppe in Limerick/Irland. / Kristin Rinortner

Auswahlkriterien für A/D-Wandler
Auswahlkriterien für A/D-Wandler (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Wandler sind bei den Herstellern nicht einheitlich spezifiziert. Mit Kenntnis der Wandler-Leitungsfähigkeit kann man jedoch das optimale Bauteil auswählen.

Wandler sind bei den Herstellern nicht unbedingt einheitlich spezifiziert. Mit tiefgreifender Kenntnis der Wandler-Leitungsfähigkeit können Ingenieure jedoch das für ihre Anwendung optimale Bauteil hinsichtlich Leisung, Kosten und Stromverbrauch auswählen. Im Artikel werden die wichtigsten Auswahlkriterien aufgezeigt. Die Definition des Begriffs „Datenwandlung“ ist einfach. Es ist die Umwandlung kontinuierlicher, elektrischer Signale in Bits (mit Analog/Digital-Wandlern) und umgekehrt, die Umwandlung von Bits in kontinuierliche, elektrische Signale (mit Digital/Analog-Wandlern). Dies bildet die Schnittstelle zwischen der realen (analogen) Welt und der digitalen Welt.

Die Auswahl der richtigen Wandlerarchitektur und des richtigen Wandlers kann jedoch schwierig sein. Probleme rühren zum Teil daher, dass sich die Angaben der Hersteller in den Datenblättern nur schwer richtig interpretieren und an die Anforderungen einer Anwendung  anpassen lassen.

Die Maßstäbe der Wandler-Leistungsfähigkeit wurden bisher auf „Bit Auflösung“ (N) und Abtastrate (Fs) reduziert. Im Allgemeinen sind mehr Bits gut und höhere Abtastraten noch besser. Obwohl Auflösung und Abtastrate noch immer wichtige Leistungselemente sind, verlangen die heutigen Anwendungen ein tiefgreifenderes Verständnis der Wandlerspezifikationen.

In der Realität existiert so etwas wie der „beste“ Wandler nicht. Genau wie beim Kauf eines Autos, wägen Kunden bei der Auswahl ihres Wandlers zwischen Leistungsfähigkeit, Effizienz und Kosten ab.

Vier Hauptmerkmale zur Leistungsfähigkeit von Wandlern

Es gibt vier Hauptspezifikationen für die Leistungsfähigkeit eines Wandlers: Abtastrate, DC-Genauigkeit, AC- (oder dynamische) Genauigkeit und Stromverbrauch. Die Bedeutung dieser Spezifikationen hängt von der Anwendung ab. Die meisten Entwickler beachten jedoch alle vier Leistungsparameter.

Abtastrate

Die Abtastrate (Fs) definiert, wie oft ein Datenwandler ein zum Analogsignal passendes, digitales Wort erstellt. Das Nyquist-Theorem besagt, dass ein System mindestens doppelt so schnell abgetastet werden muss wie die Signalbandbreite (BW). Damit ermöglicht eine höhere Abtastrate eine größere verfügbare Signalbandbreite. Um zum Beispiel ein 50-MHz-Signal zu erfassen, ist ein Wandler erforderlich, der mit 100 MSample/s oder mehr abtastet.

DC-Genauigkeit

Die DC-Genauigkeit wird oft an Bits Auflösung (N) geknüpft, wobei der analoge Vollausschlag (Full-Scale-Bereich: FS) durch Gleichung 1 ausgedrückt wird.

FS = die Anzahl digitaler Stufen = 2N – 1           (Gl. 1)

Bild 1:Grafische Darstellung von DNL- und INL-Messungen

Somit hat ein 10-Bit-Wandler 1.024 gültige, digitale Worte und jedes Wort eine LSB-Gewichtung (Least Significant Bit) von 1/1.024. Auflösung und DC-Genauigkeit dürfen nicht verwechselt werden. Die Genauigkeit eines Wandlers ist ein Maß dafür, wie einheitlich die digitalen Worte mit den analogen Stufengrößen korrespondieren. Sie wird als DNL (Differentielle Nichtlinearität) oder INL (integrale Nichtlinearität) spezifiziert.

DNL ist ein Maß dafür, wie viel jede analoge Stufe von der idealen Stufe abweicht. INL ist die Integration dieser Fehler über den Vollausschlags-Bereich (Bild 1). Beide Spezifikationen werden normalerweise als ein Bruchteil eines LSB angegeben. Es ist jedoch auch üblich – speziell bei Sigma/Delta-Wandlern – diese Spezifikationen im Hinblick auf den Vollausschlags-Bereich als ppm (Parts Per Million) auszudrücken.

Unterschied zwischen Auflösung und Genauigkeit

Den Unterschied zwischen Auflösung und Genauigkeit zu verstehen, ist wichtig. Zum Beispiel könnte einer von zwei Wandlern, die jeweils 12-Bit Auflösung haben, eine Genauigkeit von nur 10 Bit aufweisen (2 LSB DNL/INL-Fehler), während der andere Wandler 14 Bit Genauigkeit bietet (1/8 LSB DNL/INL). Eine höhere Auflösung (N) ohne die erhöhte Genauigkeit dieser zusätzlichen Bits führt nicht zu einer höheren Leistungsfähigkeit des Wandlers.

AC-Genauigkeit

Die AC-Genauigkeit ist spezifiziert durch das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und den störungsfreien Dynamikbereich (SFDR). Diese beiden Werte werden abhängig von der Frequenz des Analogsignals gemessen und sind somit Darstellungen der dynamischen Leistungsfähigkeit.

SNR ist ein Maß dafür, wie viel Rauschleistung der Wandler in das Eingangssignal einbringt. Es sagt dem Anwender, wie ein kleines Signal gemessen oder erzeugt (A/D-Wandler bzw. D/A-Wandler) werden kann, ohne dass dazu Techniken zur Mittelwertbildung erforderlich sind. Spezifischer ausgedrückt ist SNR das Verhältnis aus Effektivwert des tatsächlichen Eingangssignals und Effektivwert-Summe aller anderen spektralen Komponenten unterhalb der Nyquist-Frequenz, abgesehen von Harmonischen und Gleichspannungen. Der Maximalwert wird durch die Auflösung des Wandlers begrenzt (Gleichung 2).

SNR = 6,02 · N + 1,76         (Gl. 2)

SFDR gibt an, wie klein ein Messsignal bei vielen Abtastungen und Mittelwertbildung werden kann. Der Einfluss von störungsbehafteten Signalen lässt sich reduzieren, indem man viele Abtastungen durchführt und dann den Mittelwert bildet. SFDR wird durch die DC-Genauigkeit des Wandlers begrenzt und liefert ein Maß, das ausdrückt, wie gut diese Genauigkeit bei steigender Signalfrequenz erhalten bleibt. Der störungsfreie Dynamikbereich ist definiert als die Differenz in Dezibel (dB) zwischen der Amplitude des Eingangssignals und der Amplitude des höchsten störungsbehafteten Signals.

ENOB

Die effektive Bit-Anzahl (Effective Number of Bits – ENOB) ist eine weitere Spezifikation, die beachtet werden sollte. Die ENOB kann bei einer niedrigen Frequenz spezifiziert werden, um die DC-Genauigkeit zu reflektieren. Sie kann auch bei höheren Eingangsfrequenzen angegeben werden, um zu zeigen, wie sich die AC-Genauigkeit abhängig von der Frequenz verhält. Gleichung 3 beschreibt die effektive Anzahl der Bits.

SINAD = 6,02 · ENOB + 1,76         (Gl. 3)

SINAD steht für Signal/Rausch- und Verzerrungs-Verhältnis. Indem man betrachtet, wie viel Rauschen und Verzerrungen ein Wandler in das Messsignal einbringt, liefert der äquivalente ENOB-Wert ein verteiltes Maß der Wandlergenauigkeit. SINAD ist das Verhältnis aus Effektivwert des tatsächlichen Eingangssignals und Effektivwert-Summe aller anderen spektralen Komponenten unterhalb der Nyquist-Frequenz, einschließlich Harmonischer, jedoch ohne Gleichspannungsanteil. Bei niedrigeren Frequenzen sind SNR und SINAD fast exakt gleich. Bei höherer Frequenz erhöht die steigende Zahl der Harmonischen die Verzerrung; das SINAD reduziert sich schneller als das SNR.

Stromverbrauch

Der Stromverbrauch ist der letzte der wichtigen Parameter, die die Leistungsfähigkeit eines Wandlers in der realen Welt definieren. Während die Anforderungen an den Stromverbrauch von der eigentlichen Anwendung abhängen, wird diese Größe zunehmend zu einem Faktor, der die Akkulaufzeit beeinflusst und für thermische Gegebenheiten verantwortlich ist.

Auswahl des richtigen A/D-Wandlers

Entwickler, die für eine Anwendung einen bestimmten Wandler in Erwägung ziehen, werden sich zunächst über dessen Leistungsfähigkeit und danach über die Bauteilekosten informieren. Man sollte ebenfalls die gesamten Betriebskosten einschließlich möglicher Schwierigkeiten bei der Entwicklung sowie die Produktionskosten berücksichtigen. Die Herausforderung für Halbleiterhersteller besteht darin, die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Systems bei minimalen Systemkosten und geringstem Stromverbrauch zu erfüllen.

Heute werden zahlreiche Wandlerarchitekturen und Bauteile angeboten. Indem Entwickler die Vor- und Nachteile der verschiedenen Faktoren kennen, die die Leistungsfähigkeit von Wandlern ausmachen, und sich der Anforderungen der Anwendung bewusst sind, können sie mit Sicherheit den jeweils besten Wandler wählen.

Obwohl sich an manchen Stellen Kompromisse nicht vermeiden lassen, ist zunehmend ein Trend zu A/D-Wandlern erkennbar, die ohne Auswirkungen auf die Auflösung höhere Ausgangsdatenraten erzielen. Die Fähigkeit, Information mit höheren Geschwindigkeiten zu verarbeiten, während die Datenintegrität erhalten bleibt, ist eine entscheidende Forderung bei modernen Industrie- und Medizinsystemen.

Die Sigma/Delta-Leistungsfähigkeit verbessern

Wo hohe Auflösung und DC-Genauigkeit die primären Anforderungen sind, waren Sigma/Delta-A/D-Wandler bisher die beste Wahl. Sigma/Delta-ADCs wurden bislang verwendet, um sehr kleine Signale, die von hochempfindlichen Sensoren bei Temperatur-, Gewichts-, Druck- und Durchflussmessungen erzeugt werden, exakt zu verarbeiten.

Heute verlangen Entwickler von Sigma/Delta-ADCs höhere Geschwindigkeiten, weil Produkte mit höherem Durchsatz oder mit mehr Sensorkanälen als bisher gefordert sind, die in der gleichen Zeit verarbeitet werden müssen. Dies muss ohne Einbußen an die Auflösung oder DC-Genauigkeit erreicht werden.

Eine höhere Geschwindigkeit unter Beibehalten von Auflösung und DC-Genauigkeit wird im Wesentlichen durch die integrierte PGA-Eingangsstufe (Programmable-Gain Amplifier) bestimmt. Die kleinen Ausgangssignale eines Sensors müssen entsprechend des maximalen Eingangsbereiches des A/D-Wandlers verstärkt werden, um die Auflösung des Bauteils zu maximieren. Der effizienteste Weg, um dies zu erreichen, ist die Integration eines PGAs, da dieser so entwickelt werden kann, dass Anpassungs- und parasitäre Fehler, die bei einem externen PGA auftreten könnten, minimiert werden.

Mit einer neuartigen PGA-Architektur und durch Optimierung der Chip-Entwicklung hinsichtlich Stromverbrauch, Flächenbedarf und Layout kann die Auflösung des Sigma/Delta-ADCs verbessert werden. Dies gilt nicht nur für die traditionell niedrigeren, sondern auch für höhere Geschwindigkeiten. Ein Beispiel sol dies verdeutlichen:

Bild 2:Blockschaltbild des AD 7190

Der Sigma/Delta-A/D-Wandler AD7190 (Bild 2) integriert einen PGA mit sehr geringem Rauschen und kleiner Drift von DC bis 4,8 kHz. Damit erzielt der Wandler Rauschwerte von 7 nV/√Hz bei einer Datenrate von 4,7 Hz und einer Verstärkung von 128. Daraus ergibt sich eine rauschfreie Auflösung von 21 Bit bei einem Eingangssignal von ±40 mV. Die Leistungsfähigkeit lässt sich auf höhere Geschwindigkeiten ausdehnen und es können 16,5 Bit rauschfreie Auflösung bei einer Datenrate von 2,4 kHz erreicht werden.

Verbesserungen bei SAR-Wandlern

SAR-ADCs wurden in der Vergangenheit verwendet, um Signale mit einer Auflösung bis zu 16 Bit bei Geschwindigkeiten von mehr als 100 kSample/s, jedoch unter 1 MSample/s, exakt zu verarbeiten. Vor einigen Jahren hat Analog Devices den ersten 16-Bit-SAR-ADC entwickelt, der die Geschwindigkeitsgrenze von 1 MSample/s überschritten hat. Seit dieser Zeit verläuft die Entwicklung in rasantem Tempo: Weitere Geschwindigkeitsverbesserungen konnten ohne Auswirkungen auf die Genauigkeit erzielt werden.

Treiber für diese Entwicklungen sind Applikationen in medizinischen Geräten wie Kernspintomographen und digitalen Röntgengeräten, mit denen Patienten schnell und nicht invasiv untersucht werden. Bei solchen Geräten sind Kriterien wie hohe Auflösung und Geschwindigkeit für eine bessere Bildqualität sowie für höhere Bildwiederholraten unabdingbar. Höhere Geschwindigkeiten bei gleich bleibender Datengenauigkeit sind auch für Geräte zur Fertigungsautomatisierung erforderlich.

Bild 3:Blockschaltbild des AD7626

Auf der Basis einer neuartigen Architektur und Entwicklungstechnik erfasst der 16-Bit-SAR-Wandler AD7626 (Bild 3) Daten mit 15 Bit ENOB und einem Durchsatz von 10 MSample/s. Der Wandler bietet ein SNR von 92 dB bei 10 MSample/s.

 

 

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