PDF-Ausgabe herunterladen (32.7 MB) - elektronik industrie

nung für den A/D-Wandler liefern. Idealerweise bietet der letzte
Verstärker eine Möglichkeit zur Regelung der Gleichtakt-Ausgangsspannung,
die lediglich die V cm -Referenz des ADCs verwendet;
dies sieht dann in etwa so wie in Bild 3 aus, in dem ein differenzieller
RLC-Tiefpass zweiter Ordnung als Teil einer galvanisch
gekoppelten Schaltung dient.
Regelung der Gleichtakt-Ausgangsspannung
Damit das funktioniert, muss der Signalhub des Verstärkerausgangs
bei der verwendeten Gleichtaktspannung innerhalb des
Aussteuerungsbereichs bleiben. Für Schaltungen mit nur einer
Versorgungsspannung ist ein Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgängen
geeignet. Für sehr niedrige Verzerrungen kommen allerdings
Verstärker ohne Rail-to-Rail-Ausgang zum Einsatz, was diese Umsetzung
erschwert. Beim Beispiel in Bild 3 dienen -1,1 V und
+3,0 V als Versorgungsspannungen, damit die Ausgangsspannungen
des ISL55210 innerhalb der Aussteuergrenzen für den A/D-
Wandler (0,535 oder 1 V Gleichtaktspannung) bleiben.
Eine Fehlerquelle bei diesem Entwurf ist der Gleichtaktstrom
I cm , den der ADC aufnimmt. A/D-Wandler ohne Eingangspuffer
weisen an den Eingängen einen von der Abtastfrequenz abhängigen
Gleichtaktstrom auf. Selbst Typen mit Eingangspuffer nehmen
an dieser Stelle einen DC-Biasstrom auf. Dadurch verringert sich
die Gleichtaktspannung am Verstärkerausgang um diesen Strom
multipliziert mit dem Wert des Serienwiderstands aus Bild 3. In
den meisten Fällen ist R s sehr klein, so dass sich nur eine leichte
Veränderung der Gleichtaktspannung am A/D-Wandler ergibt.
Die Gleichtaktspannung des Eingangssignals lässt sich am einfachsten
mit einem AC-gekoppelten Signalpfad von der Gleichtaktspannung
des ADC-Eingangs entkoppeln. Tatsächlich kommt
bei fast allen Evaluierungs-Boards für High-Speed-ADCs ein Eingangsübertrager
zum Einsatz, bei dem die für den A/D-Wandler
notwendige Gleichtaktspannung am Mittelabgriff anliegt (Bild 2).
Eine gängige Alternative besteht darin, anstelle eines Abschlusswiderstands
zwei Widerstände mit jeweils halbem Widerstandswert
zu verwenden und die Spannung dann in deren Mitte anzulegen.
Ergebnisse richtig messen
Dies funktioniert ziemlich gut; allerdings ist zur Nutzung des kompletten
Eingangsspannunsgbereichs des A/D-Wandlers eine relative
große Eingangsamplitude erforderlich, um die Verluste durch
die Übertrager auszugleichen. Auch wenn das recht einfach aussieht,
wird man beim Messen der ADC-Parameter vor den Koppelkondensator
in Bild 2 noch ein sehr schmalbandiges Bandpass-
Filter schalten. Dieses Filter wird normalerweise nicht gezeigt, ist
Bild 3: Direkte Gleichtaktspannungs-Kopplung vom A/D-Wandler durch den
voll-differenziellen Verstärker (FDA) und zurück zu den ADC-Eingängen.
Analog-/Mixed-Signal-ICs
Bild 2: Typische
Schnittstelle von
ADC-Evaluierungs-
Boards (single-ended
auf differenziell,
AC-gekoppelt).
aber für sogenannte Single-Tone- oder Dual-Tone-Messungen von
großer Bedeutung. Während die Schaltung mit den Übertragern
eine relativ große Bandbreite aufweist, engt man mit dem Filter das
Rauschspektrum am Eingang ein. Gängige Anwendungen digitalisieren
einen signifikaten Teil der Nyquist-Zone, so dass eine Begrenzung
des Rauschbands am ADC-Eingang erforderlich ist. Für
AC-gekoppelte Schaltungen stellt sich dann auch die Frage, wie
man am besten die Gleichtaktspannung hinbekommt und dabei
gleichzeitig dem A/D-Wandler das differenzielle und gefilterte
Eingangssignal liefert.
Wenn der Signalpfad sowieso AC-gekoppelt ist, dann ist es üblich,
die Gleichtakt-Referenz des A/D-Wandlers über große Induktivitäten
an die ADC-Eingänge einzuspeisen.
Dieses Simulationsmodell beinhaltet sowohl die Eingangscharakteristiken
des A/D-Wandlers als auch das Modell seiner internen
V cm -Schaltung. Man beachte die 0,63 mA Gleichtaktstrom, die
an jedem der beiden Eingänge fließen. Dadurch verringert sich die
Gleichtaktspannung an den Eingängen etwas – und zwar durch
den internen 20-Ohm-Widerstand, der die 0,535 V Spannungsreferenz
entkoppelt. Das Ziel dieses Filters ist ein flacher Frequenzgang
bis 100 MHz, und dies wird auch erreicht, jedoch beeinträchtigt
die Einspeisung über 1 µH das Band bei Frequenzen unterhalb
von 10 MHz (Bild 4).
Wenn dieser Aspekt bei niedrigen Frequenzen akzeptabel ist, hat
dieser Ansatz den Vorteil, dass die Gleichtaktspannung am ADC-
Eingang unabhängig von der Abtastrate und somit unabhängig
vom Gleichtaktstrom ist. Versucht man, das untere Ende der Bandbreite
durch größere Induktivitäten nach unten zu verschieben,
dann kann kann es zu Problemen mit der Eigenresonanz der Spulen
kommen. Die Verwendung bei höheren Frequenzen ist sicher
möglich so lange der gewünschte flache Bereich etwas weniger als
eine Dekade breit ist.
Breitbandigkeit
Für AC-gekoppelte Schnittstellen mit extremen Bandbreiten lässt
sich die Gleichtaktspannung durch zwei zum RLC-Filter gehörende
Widerstände ganz einfach einspeisen. In Bild 1 wird ein Beispiel
gezeigt, das von 1 kHz bis 100 MHz eine flache (0,5 dB) Charakte-
Bild 4: Frequenzgang eines RLC-Filters mit Gleichtakt-Einspeisung durch
eine Induktivität. Das Ziel dieses Filters ist ein flacher Frequenzgang bis
100 MHz. Dies wird auch erreicht, jedoch beeinträchtigen Einspeisungen bis
1 µH das Band bei Frequenzen unterhalb von 10 MHz.
www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 10/2012 23