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Der störungsfreie Dynamikbereich von Breitband-A/D-Wandlern

| Autor / Redakteur: Ian Beavers * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Interleaving-Konzepte erhöhen die Bandbreite und die Geschwindigkeit eines Datenwandlers. Deswegen werden sie gerne für High-Speed-Systeme eingesetzt. Doch Vorsicht, hier lauern einige Fallstricke.

In Anwendungen zur Signalerfassung bestimmt die Leistung des A/D-Wandlers, wie gut sich schwache Signale bei Störungen erfassen lassen. Für A/D-Wandler mit hohen Abtastraten (GSPS) ist der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) eine wichtige Kenngröße für die AC-Leistungsfähigkeit.

Der störungsfreie Dynamikbereich repräsentiert das kleinste Signal, das aus einem großen Störsignal gewonnen werden kann. Der SFDR ist definiert als das dynamische Verhältnis der Effektivwerte des Trägersignals am Eingang und des nächstgrößeren Störsignals oder Rausch- oder Oberwellenkomponenten im Frequenzspektrum am Ausgang des Wandlers. Der SFDR ist im Datenblatt des A/D-Wandlers unter vorgegebenen Bedingungen angegeben.

Nichtlinearitäten, die bei allen A/D-Wandlern auftreten, bewirken harmonische Verzerrungen des Signals. Harmonische (Oberwellen) sind Vielfache der Grundfrequenz und engen den SFDR des A/D-Wandlers ein. Zum Beispiel entsprechen die zweite und dritte Harmonische der zwei- beziehungsweise dreifachen Grundfrequenz.

Symmetrische Nichtlinearitäten am Eingang eines A/D-Wandlers bewirken Harmonische ungerader Ordnung. Asymmetrische oder einseitige Nichtlinearitäten verursachen Harmonische gerader Ordnung.

Für einen Nyquist-A/D-Wandler ist die Nyquist-Frequenz wichtig, da höhere Frequenzen um die Nyquist-Rate zurückfalten. Oberschwingungen bei Vielfachen der Grundfrequenz können ebenfalls in das relevante Frequenzband falten und Störungen einbringen (bekannt als Aliasing). Deshalb ist es wichtig, die Abtastrate und das Frequenzband des A/D-Wandlers zu planen, um harmonisches Aliasing, das den störungsfreien Dynamikbereich ebenfalls einengt, zu vermeiden.

Einige GSPS-A/D-Wandler arbeiten mit einem Interleaving-Konzept, um die volle High-Speed-Datenrate mithilfe von zwei oder mehr Cores zu erreichen. Während auf einem Kanal abgetastet wird, erfolgt die Signalverarbeitung auf den anderen Kanälen.

Ein zweikanaliger A/D-Wandler nutzt die Cores zum Beispiel abwechselnd, um die volle Abtastrate zu erzielen. Dadurch entstehen jedoch geringfügige Abweichungen bei Phase, Offset, Verstärkung und Bandbreite zwischen den Eingängen der Cores. Aufgrund dessen können Interleaving-Artefakte und neue Störsignale in das FFT-Diagramm gelangen, die den störungsfreien Dynamikbereich sogar über den durch die Harmonischen begrenzten Bereich hinaus verringern.

A/D-Wandler-Architekturen, die nur mit einen Kern arbeiten, zeigen im Gegensatz dazu keine Störungen durch Interleaving. Ein Pipeline-Wandler mit einem Kern ist ein Beispiel für einen Breitband-A/D-Wandler, der einen relativ hohen störungsfreien Dynamikbereich liefert, der in der Regel durch die zweite oder dritte Harmonische begrenzt ist.

* Ian Beavers ist Ingenieur in der Gruppe Digital Video Processing bei Analog Devices in Greensboro / U.S.A.

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