Bild 1: Störende Glitches bei einem 16-Bit-D/A-Wandler

RC-Filter als Deglitcher für D/A-Wandler

Als Autofahrer kennt man die Bodenschwellen, mit denen Temposünder mehr oder weniger unsanft ermahnt werden, den Fuß vom Gas zu nehmen. Man hat hier nur zwei Optionen: entweder abbremsen oder das Hindernis umfahren. Das gilt auch für das Deglitching bei D/A-Wandlern.

Bild 1: Störende Glitches bei einem 16-Bit-D/A-Wandler

Als ich neulich vor einem solchen künstlichen Hindernis abbremste, musste ich unwillkürlich an einen 16-Bit Präzisions-D/A-Wandler in R-2R-Technik denken, mit dem ich gerade zu tun hatte und bei dem es in der Bereichsmitte stets zu einem Glitch kam (Bild 1). Wählt man einen DAC mit starken Glitch-Effekten, kann man am Ausgang eine Deglitch-Schaltung hinzufügen, die die Auswirkungen dieser Störimpulse abmildert. Hier kommen zwei gängige Deglitch-Schaltungen für DACs in Frage: Die Verwendung eines einfachen Tiefpassfilters entspricht der Abbrems-Taktik, während man sich mit der Verwendung einer Sample-and-Hold-Schaltung für das Umfahren des Hindernisses entscheidet. Beide Deglitch-Schaltungen können entweder die Glitch-Amplitude verringern oder die Glitch-Energie komplett beseitigen.

Bild 2: Codewechsel in Bereichsmitte bei einem R-2R-D/A-Wandler des Typs DAC8881 (Vref = 5 V, AVDD = 5 V

Die einfachste Deglitch-Methode für einen DAC basiert auf einem RC-Filter (Bild 2 unten), das an den Verstärkerausgang des DAC (VOUT) angeschlossen wird. Dieses Filter schwächt die Amplitude des Glitch ab, erhöht aber gleichzeitig die Einschwingzeit.

Die obere Kurve in Bild 2 gibt das Signal am LDAC-Pin (Load DAC) des D/A-Wandlers wieder. Das Datenwort wird über den DIN-Pin (Data in) und den CLK-Pin (Takt) seriell in den DAC geladen. Sobald das komplette Datenwort geladen ist, veranlasst eine steigende Flanke am LDAC-Pin, dass es in die internen Register des DAC übertragen wird. Dies wiederum löst eine Änderung der Ausgangsspannung des DAC aus. Die mittlere Kurve zeigt den analogen Glitch, der ungefähr in der Bereichsmitte am DAC-Ausgang zu beobachten ist. Die Kurve ganz unten schließlich zeigt das gemessene analoge Signal nach dem RC-Tiefpass.

Normalerweise läuft hierbei alles glatt. Beim Wechsel auf einen höheren oder niedrigeren Datencode wird die Ausgangsspannung entsprechend höher oder geringer. Bei der Hälfte sowie bei einem Viertel und drei Vierteln des Bereichs erzeugt der DAC jedoch einen Glitch, wobei der in der Mitte des Bereichs auftretende Glitch die größte Amplitude hat.

Um die richtigen RC-Werte zu bestimmen wird die Periodendauer des Glitch‘ ermittelt und der 3-dB-Punkt des Filters so gelegt, dass er sich ungefähr eine Dekade unterhalb der Glitch-Frequenz befindet.

Dazu ein Beispiel: In Bild 2 beträgt die Glitch-Periodendauer etwa 1 µs, was einer Glitch-Frequenz von 1 MHz entspricht. Auf der Basis dieser Schätzung wurden die RC-Werte in Bild 2 so gewählt, dass ein 80-kHz-Tiefpassfilter entsteht. Auf jeden Fall sollte der Widerstandswert so niedrig wie möglich angesetzt werden, um die Ausgangsspannung nicht zu verfälschen.

Das Glitch-Problem des R-2R-DAC wird mit diesem RC-Filter also tatsächlich behoben, allerdings hat diese Methode auch ihre Kehrseite. Die untere Kurve in Bild 2 zeigt deutlich, wie das RC-Filter die Einschwingzeit des DAC-Ausgangssignals erhöht.

Je nach den Anforderungen der Applikation kann ein einfaches RC-Filter die richtige Lösung sein. Wird für eine Anwendung unbedingt ein R-2R-DAC benötigt, der einen störenden Glitch besitzt, kann auch eine Schaltkondensator-Lösung im Verbund mit einem RC-Filter geeignet sein.


Von Bonnie C. Baker,  Texas Instruments.

Mein besonderer Dank gilt Tony Calabria, Precision Analog Applications Engineer bei Texas Instruments.

 

 

 

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