Leitfaden: Dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern

Die Eigenschaften von A/D-Wandlern lassen sich durch verschiedene Parameter beschreiben. Leider sind nicht alle Kennwerte konsequent in den Datenblättern angegeben. Dies kann vor allem für Jungingenieure recht verwirrend sein. Unser Leitfaden soll dabei helfen, die Herstellerangaben zu SAR-Wandlern besser zu bewerten und zu vergleichen.

Die dynamische Leistungsfähigkeit eines A/D-Wandlers wird durch Parameter festgelegt, die aus einer Analyse des Frequenzbereiches gewonnen werden. Hierfür wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) an den Ausgabewerten des A/D-Wandlers ausgeführt. Anhand von Diagrammen typischer FFTs (zur Vereinfachung übertrieben dargestellt) wird nachfolgend die dynamische Leistungsfähigkeit eines Umsetzers erläutert.

Bild 1: Eine FFT der ADC-Ausgabewerte

In Bild 1 entspricht die Grundfrequenz der Eingangssignalfrequenz. Dieses Signal wurde mit dem Wandler gemessen. Bei dem Rest handelt es sich um Störgeräusche – ungewollte Signale, die zum eigentlichen Signal in Beziehung stehen. Dazu gehören beispielsweise die harmonische Verzerrung (Oberwellen), das thermische Rauschen, 1/f-Rauschen (rosa Rauschen) und Quantisierungsrauschen.

Nicht jedes Rauschen wird vom A/D-Wandler verursacht, auch äußere Fehlerquellen können sich auswirken. Die Harmonischen und das thermische Rauschen könnten beispielsweise von einem externen Schaltkreis am Eingang des Wandlers herrühren. Ingenieure minimieren äußere Fehlerquellen bei der Qualifizierung eines Wandlers und durch das Systemdesign.

Der Rauschabstand oder SNR

Gleichung 1

Der Rauschabstand oder Signal-Rausch-Abstand (SNR, Signal-to-Noise-Ratio) wird in dB angegeben und kennzeichnet das Verhältnis der Effektivwerte des Eingangssignals zum Gesamtsignal (ohne Harmonische).

Gleichung 1 gibt dies wieder.

Der Rauschabstand, der bei der SNR-Berechnung ermittelt wurde, schließt das Quantisierungsrauschen ein. Er beinhaltet jedoch nicht die harmonische Verzerrung. Bei einer gegebenen Auflösung bestimmt demnach das Quantisierungsrauschen den Signalstörabstand eines A/D-Wandlers (Gleichung 2):

SNR(dB) = 6,02 N + 1,76          (Gleichung 2)

Dabei steht N für die ADC-Auflösung. Das Quantisierungsrauschen lässt sich nur durch Abtasten mit einer höheren Auflösung (d.h. einem Wandler mit höherer Auflösung oder durch Oversampling) reduzieren. Andere Quellen für Störwerte umfassen das thermische Rauschen, 1/f-Rauschen und den Apertur-Jitter.

Die Klirrdämpfung oder THD

Bild 2: SNR – Grundsignal im Vergleich zum Grundrauschen

Die Nichtlinearität im Datenwandler führt zu einer harmonischen Verzerrung, wenn diese in der Frequenzdomäne analysiert wird. Diese Harmonischen äußern sich in der FFT als Spitzen in den Oberwellen des Signals (Bild 2).

Diese Verzerrungen werden als gesamte harmonische Verzerrung (THD) oder Klirrdämpfung bezeichnet und nach Gleichung 3 berechnet.

Gleichung 3

Die Klirrdämpfung nimmt mit höheren Frequenzen ab, bis sie geringer ist als das Grundrauschen oder außerhalb der relevanten Bandbreite liegt. Die Datenblätter geben im Allgemeinen an, welche Oberwellen in die Berechnung der THD einbezogen wurden; üblicherweise wird noch die Oberwelle der fünften Ordnung (siehe Tabelle 1) verwendet.

Der Rauschabstand plus Verzerrung oder SINAD

Rauschabstand plus Verzerrung (SINAD) bieten ein vollständigeres Bild der auftretenden Störwerte, da sie Störgeräusche und Klirrdämpfung in einem einzigen Parameter zusammenfassen. Der SINAD-Wert gibt an, wie das gemessene Signal im Vergleich zu den Störwerten und der Verzerrung sein wird.

Das SINAD-Verhältnis wird nach Gleichung 4 berechnet.


Gleichung 3

Gleichung 4

In den Datenblättern von Herstellern wie Silicon Laboratories sind im Allgemeinen die SINAD-Werte eines A/D-Wandlers spezifiziert.

Der störungsfreie Dynamikbereich oder SDFR



Der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR, Spurious-free Dynamic Range) ist das Verhältnis der Effektivwerte der Grundfrequenz und der nächst größeren Harmonischen am Ausgang des Wandlers. Diese Störung ist üblicherweise eine Oberschwingung des gemessenen Signals; dies trifft jedoch nicht in jedem Fall zu (Bild 3). SFDR wird normalerweise in dBc angegeben, wobei der Buchstabe „c“ für das Trägersignal steht.

Mit den in den Datenblättern angegebenen A/D-Wandler-Parametern lässt sich die Leistungsfähigkeit eines Wandlers in unterschiedlichen Anwendungen feststellen. Der Ingenieur stützt sich auf diese Parameter, wenn er festlegt, wie der Wandler in einer Anwendung eingesetzt werden soll.

Leistungsspezifikationen garantieren darüber hinaus, dass ein Übertrager Anforderungen, die an ihn gestellt werden, bewältigen kann. In den Datenblättern kennzeichnen dies die Werte maximal oder minimal.

In den in der Tabelle gezeigten Spezifikationen gibt der Auszug aus dem Datenblatt beispielsweise einen INL-Höchstfehler von 1 LSB an. Dies sollte bedeuten, dass der Hersteller den Wandler getestet hat und angibt, dass der INL-Fehler nicht mehr als 1 LSB betragen sollte. Neben dem Minimum- und Maximum-Wert werden außerdem als typisch aufgeführte Parameter angegeben.

Diese werden vom Hersteller nicht garantiert, sondern stellen lediglich charakteristische Parameter der durchschnittlichen Leistungsfähigkeit dieses Wandlers dar. Ist in einem Datenblatt beispielsweise ein Wert von 2 LSB INL in der Spalte „typisch“ angegeben, kann der Ingenieur durchaus einen höheren INL-Fehler bei diesem Wandler feststellen.

Welche Werte garantieren die Leistungsfähigkeit?

Bild 4: Störungsfreier Dynamikbereich (SFDR)

Obwohl ein typischer Wert keine Garantie für die Leistungsfähigkeit ist, kann dieser Parameter dem Entwickler eine Vorstellung von der Leistungsfähigkeit des Wandlers geben. Diese Zahlen sind im Allgemeinen von der Bauteilequalifizierung des Herstellers abgeleitet oder können aufgrund des Designs erwartet werden. Die Angabe von typischen Werten ist hilfreicher, wenn der Hersteller dazu die Standardabweichung der getesteten Spezifikation belegt. Sie gibt an, in welchem Maß die Leistungsfähigkeit des Umsetzers voraussichtlich von den als typisch angegebenen Werten abweichen wird.

Dies sollte bei einem Vergleich von ADC-Datenblättern beachtet werden, insbesondere dann, wenn sich die Spezifikation des A/D-Wandlers als kritisch für das entsprechende Design erweist. Ein Wandler mit einem typischen INL-Wert von 2 LSB könnte einen höheren INL-Fehler erreichen als angenommen und dadurch aus einem 12-Bit-A/D-Wandler gewissermaßen einen 10-Bit-A/D-Wandler machen.

Der Autor Len Staller ist als Applikationsingenieur bei Silicon Laboratories in Austin, Texas/USA tätig.

Beispiel: Elektrische Leistungsmerkmale des 16-Bit-A/D-Wandlers C8081F060 VDD = 3,0 V, AV+ = 3,0 V AVDD = 3,0 V, UREF = 2,50 V (REFBE = 0), –40 bis 85°C, sofern nichts anderes angegeben

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