Antwort: Während bei älteren schnellen A/D-Wandlern die externe Referenzspannung eingestellt werden musste, um den analogen Eingangsbereich zu ändern, verfügen die meisten neuen Schaltungen über programmierbare oder einstellbare Eingangsbereiche. Über einen einfachen Registereintrag lässt sich zum Beispiel der Bereich von 1 bis 2 V_ss in Stufen von 100 mV programmieren. Bei den meisten Bauteilen ist der Eingangsbereich standardmäßig auf den Maximalwert eingestellt, da dies das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) maximiert. Das Rauschen, normalerweise dominiert vom eigenen thermischen Rauschen des Wandlers, ändert sich nicht, wenn der Eingangsbereich eingestellt wird. Eine Maximierung des Eingangsbereichs maximiert auch das SNR.

Gelegentlich wirft ein Ingenieur einen Blick in das Datenblatt und fragt, warum man den Bereich einstellen möchte, obwohl der Nutzen eines reduzierten Bereichs nicht klar ist. Diese Frage ist berechtigt. Denn der reduzierte Signalbereich bietet keinen wesentlichen Kompromiss im Hinblick auf die anderen Wandlerspezifikationen. Man kann erwarten, dass sich bei einem niedrigeren Signalhub der Grad der Verzerrung verbessert. Genauso, wie es bei Operationsverstärkern oder anderen linearen Bauteilen der Fall wäre. Die Verbesserung ist bei einem A/D-Wandler normalerweise nicht sehr groß, speziell nicht in der Nähe des Vollausschlags, wo die Nichtlinearität des Wandlers seine Verzerrung dominiert.

Ein Beispiel. Für den 250 MSample/s schnellen 16 Bit-ADC AD9467 gibt es typische Performance-Spezifikationen für Eingangsbereiche von 2 und 2,5 V_ss. Eine Reduzierung des Eingangsbereichs senkt das SNR um 1,7 dB, während sich der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) in der ersten Nyquist-Zone um 1 oder 2 dB erhöht.

Die Reduzierung des SNR um 1,7 dB für 1 bis 2 dB Verzerrung klingt zwar ähnlich, doch die Störung befindet sich bei einer diskreten Frequenz in der Nyquist-Zone, während das niedrigere SNR das durchschnittliche Grundrauschen über die gesamte Nyquist-Zone anhebt. Eine Verbesserung um 1 oder 2 dB bei einer diskreten Frequenz kann in den meisten Anwendungen vernachlässigt werden, während die Absenkung um 1,7 dB über das gesamte Nutzfrequenzband wesentlich sein kann.

Warum also SNR einbüßen, wenn man nichts davon hat? O.k., der Wandler ist nur ein Teil des Puzzles auf Systemebene. Bei der Budgetierung von Kosten, Leistungsfähigkeit und Verlustleistung für das Gesamtsystem bedeutet der kleinere Signalbereich, dass Upstream des A/D-Wandlers 1,7 dB weniger Verstärkung erforderlich sind und dies vielleicht erlaubt, einen Operationsverstärker mit niedrigerem Verstärkungs/Bandbreiten-Produkt einzusetzen. Falls die verschlechterten Rauscheigenschaften des Wandlers akzeptabel sind, lässt sich vielleicht an einer anderen Stelle im System eine Verbesserungsmöglichkeit finden.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.