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SAR- statt Sigma-Delta-A/D-Wandler für hohen Dynamikbereich

SAR- und Sigma-Delta-ADCs haben jeweils eigene Vor- und Nachteile. Somit müssen Entwickler von Datenerfassungssystemen stets Kompromisse hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit, Platzbedarf, Leistungsaufnahme und Kosten eingehen.

Leistungsfähige Signalerfassung in Geräten der Industrie, Mess- und Medizintechnik muss einen hohen Dynamikbereich aufweisen und genaue Messungen ermöglichen. Der Dynamikbereich eines A/D-Wandlers lässt sich mit einem zusätzlichen programmierbaren Verstärker oder durch mehrere parallel geschaltete A/D-Wandler erhöhen.

Dabei wird mit digitaler Nachverarbeitung der Mittelwert des Messergebnisses gebildet. Diese Methoden können sich jedoch aufgrund von Vorgaben hinsichtlich Energieverbrauch, Platzbedarf und Kosten als weniger praktikabel erweisen. Mit einer Überabtastung (Oversampling)kann ein A/D-Wandler einen hohen Dynamikbereich bei geringen Kosten erreichen. Zugleich lassen sich Herausforderungen bezüglich Platzbedarf, Wärmeentwicklung und Leistungsaufnahme lösen.

Beim Überabtasten wird das Eingangssignal mit einer wesentlich höheren als der Nyquist-Frequenz (doppelte Signalbandbreite) abgetastet, um das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und die effektive Bit-Anzahl (ENOB) zu erhöhen. Bei Überabtastung eines A/D-Wandlers wird das Quantisierungsrauschen so verteilt, dass sich sein größter Teil außerhalb der zu interessierenden Bandbreite befindet. Daraus resultiert ein erhöhter Dynamikbereich bei niedrigen Frequenzen.

Bild 1: Oversampling eines Nyquist-Wandlers (Bild: Analog Devices)
Bild 1: Oversampling eines Nyquist-Wandlers

Das Rauschen außerhalb der interessierenden Bandbreite lässt sich mit digitaler Nachverarbeitung eliminieren (Bild 1). Das Oversampling-Verhältnis (OSR) ist die Abtastrate, dividiert durch die Nyquist-Frequenz. Die Verbesserung des Dynamikbereichs (ΔDR) aufgrund von Oversampling ist ΔDR = log2 (OSR) 3 dB. Zum Beispiel ergibt sich bei einer Überabtastung des A/D-Wandlers mit einem Faktor 4 ein 6 dB größerer Dynamikbereich oder ein zusätzliches Bit an Auflösung.

Oversampling ist im Prinzip in den meisten Sigma-Delta-A/D-Wandlern mit integrierten Digitalfiltern enthalten. Die Modulator-Taktfrequenz ist normalerweise 32 bis 256 Mal höher als die Signalbandbreite. Der Einsatz von Sigma-Delta-ADC ist jedoch auf Anwendungen begrenzt, die kein schnelles Umschalten zwischen Eingangskanälen verlangen.

Die SAR-Architektur weist keine Latenz- oder Pipeline-Verzögerungen auf und ermöglicht so schnelle Regelschleifen und schnelles Umschalten zwischen Eingangskanälen. Wegen des hohen Datendurchsatzes ist auch Oversampling möglich.

Obwohl beide A/D-Wandler-Topologien niederfrequente Signale genau messen können, verändert sich die Leistungsaufnahme eines SAR-ADC linear mit dem Durchsatz. Dies reduziert den Energieverbrauch um mindestens 50% gegenüber Sigma-Delta-Wandlern, die normalerweise eine konstante Leistung aufnehmen. Das 5 MSample/s schnelle 18-Bit-SAR-Modell AD7960 von Analog Devices ist ein Beispiel für hohen Durchsatz mit linearer Änderung der Leistungsaufnahme.

Ein vor einen SAR-ADC geschaltetes Tiefpassfilter minimiert Aliasing und reduziert Rauschen, indem es die Bandbreite begrenzt. Das hohe Oversampling-Verhältnis und die Digitalfilter von Sigma-Delta-Wandlern minimieren die Anti-Aliasing-Anforderungen an den Analogeingängen. Oversampling reduziert das Gesamtrauschen. Für erhöhte Flexibilität kann eine individuelle Digitalfilterung auch in einem FPGA erfolgen.

Aufgrund ihres niedrigen Grundrauschens und ihrer hohen Linearität können hochleistungsfähige SAR-A/D-Wandler eine höhere Bandbreite und eine hohe Genauigkeit erreichen. Außerdem ermöglichen sie eine diskrete Abtastung in einem schmalen Zeitfenster, das in schnellen Mess- und Steuerungsanwendungen erforderlich ist.

Wegen ihrer Eigenschaften wie hoher Durchsatz, geringe Leistungsaufnahme und kleine Abmessungen können Entwickler mit hochleistungsfähigen SAR-A/D-Wandlern die üblichen Anforderungen von Systemen mit hoher Kanaldichte erfüllen. Dazu gehören zum Beispiel geringer Platzbedarf, geringe Wärmeentwicklung, niedrige Leistungsaufnahme und andere Herausforderungen.

SAR-ADC bieten auch das niedrigste Grundrauschen relativ zum Vollausschlag-Eingangssignal. Daraus resultieren ein höheres SNR und eine ausgezeichnete Linearität. Gegenüber Sigma-Delta-ADCs können sie jedoch kein 1/f-Rauschen in der Nähe von DC (50/60 Hz) unterdrücken.

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