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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF-Technik Störabstand

HF-Technik Störabstand bei Breitband-A/D-Wandlern mit hohen Abtastraten Bei der Auswahl eines breitbandigen A/D- Wandlers für ein High- Performance-System sollten mehrere analoge Eingangsspezifikationen beachtet werden, wie Auflösung, Sample Rate, Signal/Rausch- Verhältnis (SNR), effektive Abzahl von Bits (ENOB), Eingangsbandbreite, störfreier Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) sowie differentielle oder integrale Nichtlinearität. Für sogenannte Gigasample per Second (GSPS) ADCs ist der SFDR eine der wichtigsten AC-Performance-Spezifikationen. Der SFDR definiert die Fähigkeit des ADCs und damit meist des gesamten Systems, ein Nutzsignal von jegdweden Störeinflüssen, wie Rauschen oder unerwünschten Störsignalen, fernzuhalten. Hintergrundwissen zum SFDR Um eine hohe Umwandlungsgeschwindigkeit bei den GSPS ADCs zu erreichen, wurden verschiedene Architekturen entwickelt. Davon eignen sich einige dazu, einen hohen SFDR über die volle Bandbreite des ADCs zu gewährleisten. Quelle: Technical Article MS-2660, Understanding Spurious-Free Dynamic Range in Wideband GSPS ADCs by Ian Beavers, Analog Devices Inc. frei übersetzt von FS Bild 1: Diese FFT eines monolithischen 12-Bit ADCs zeigt die dritte Harmonische als Haupteinflussfaktor auf den SFDR. Hier beträgt der Dynamikbereich von der Grundwelle (-1 dBFS) zur dritten Harmonischen (-82 dBFS) -81 dBc bezüglich Trägerleistung Um den Einfluss des SFDRs des Wandlers auf das System zu verstehen, gilt es, einige allgemein interessante Fragen zu den Details der SFDR-Spezifikation zu beantworten, wie sie in den Datenblättern der Wandler vorgestellt werden. Dabei begrenzt oder maximiert die Architektur des ADCs dessen Performance, sodass hier ein Auswahlkriterium auftaucht. Weiterhin aber bestimmt das Systemdesign die SFDR-Performance. Was exakt ist also der SFDR? Das Nutzsignal möglicht gut gegenüber Störungen zu isolieren, ist ein Schlüsselaspekt bei vielen Signalerfassungssystemen. Konkrete Beispiele sind Systeme mit definiertem Telekommunikationsprotokoll, Radar-Sweep- Systeme oder Messsysteme. In all diesen Fällen ist die Störfreiheit der schwachen Signale das A und O bei der gesamten System- Performance. Der SFDR repräsentiert gewissermaßen das kleinstmögliche Nutzsignal, welches bei Störeinfluss noch verwendbar ist. Der SFDR definiert das dynamische Verhältnis zwischen dem Effektivwert der Leistung eines Trägers und dem Effektivwert des am meisten störenden unerwünschten Signals im Frequenzbereich, wie es mithilfe der Fast Fourier Transform (FFT) sichtbar gemacht werden kann. Gemäß der Definition muss dieser Dynamikbereich frei sein von schmal- und breitbandigen Störsignalen. Der SFDR wird oft als derjenige Abstand quantifiziert, den das interessierende Nutzsignal (Täger, Carrier) zum nächstliegenden und wichtigsten Störsignal aufweist, daher das Verhältnismaß dBc (c für carrier). Es ist aber auch möglich, den SFDR in Form des Full-Scale-Signals auszudrücken (dBFS). Das ist ein wichtiger Unterschied, denn der interessierende Träger kann ein relativ schwaches Signal darstellen, welches deutlich unterhalb des Full-Scale- Eingangswerts des ADCs liegt. Wenn das der Fall ist, dann hat der SFDR höchste Bedeutung in Bezug darauf, das Nutzsignal von Rauschen und anderen Störungen fernzuhalten. Was begrenzt den SFDR eines ADCs? Bei einem gut entwickelten monolithischen ADC-Kern wird der SFDR typisch vom Dynamikbereich zwischen einer Trägerfrequenz und und der zweiten oder dritten Harmonischen dominiert. Bei einigen Schmalband-ADCs wird der SFDR lediglich innerhalb der Schmalband-Arbeitsweise definiert, insbesondere, wenn schon die zweite Harmonische aus diesem Band herausfällt. Andere Datenblätter beschreiben Bild 2: Eine Schmalbandapplikation ermöglicht effektiv die Nutzung des uneingeschränkten Breitband-SFDRs eines ADCs. Setzt man ein Antialiasing-Filter zur Unterdrückung der Frequenzen im roten Bereich ein, dann werden alle Harmonischen und sonstigen Störungen, die sonst den SFDR beeinträchtigen würden, aus dem Nutzband ausgefiltert 44 hf-praxis 10/2017

HF-Technik Bild 3: Unter gleichen Bedingungen und unter der Annahme, die ADC-Filterung wäre herausgenommen, würden die Harmonischen oder sonstigen Störungen den SFDR einengen. Dies demonstriert einen Fall, in dem die Extrapolation eines exzellenten Schmalband-SFDRs zu Breitbandbedingungen nicht möglich ist den SFDR innerhalb eines breiten Bands, wobei Bedingungen gestellt werden, um diese Performance zu erreichen. Obwohl die zweite oder dritte Harmonische typisch die dominierende Störfrequenz ist, gibt es daneben auch Möglichkeiten für Störeinflüsse, welche den SFDR eines GSPS ADCs limitieren können. Beispielsweise können mehrfach interleavende (überlappende, geschachtelte) ADC- Kerne störende Frequenzen in Form von Artefakten infolge der Überlappung in den Frequenzbereich einbringen. Diese können einen größeren Pegel als die zweite oder dritte Harmonische aufweisen und somit der begrenzende Faktor für den SFDR sein. Obwohl dies etwas unverständlich erscheinen mag, kann der SFDR für einen interleavenden ADC in dessen Datenblatt unter der Bedingung angegeben sein, dass Störungen durch Interleaving aus der Kalkulation herausgenommen werden (Bild 1). Schmal- und Breitband-SFDR Lässt sich der Breitband-SFDR aus dem Schmalband-SFDR extrapolieren? Falls das System nur ein schmales Nutzsignalspektrum verarbeiten muss, kann man ein Bandpass- bzw. Antialiasing-Filter im Eingang nutzen, um die Harmonischen oder andere Artefakte auszublenden. Das funktioniert immer dann gut, wenn man keine Frequenzen im ausgefilterten Bereich beobachten muss. Für ein breitbandiges Datenerfassungssystem ist es aber nicht praktikabel. In einigen Datenblättern von ADCs wird der SFDR lediglich innerhalb eines schmalen Abschnitts der nominellen Eingangsbandbreite des ADCs spezifiziert. Typischerweise kann man nicht annehmen, dass sich der SFDR bezüglich eines schmalen Frequenzbereichs extrapolieren lässt, um die selbe Performance in einem breiteren Bereich oder innerhalb der vollen Nyquist- Bandbreite (f s /2) zu erhalten. Dies rührt in erster Linie daher, dass die Frequenzplanung für das schmale Band mit der Grundfrequenz vornehmlich eingerichtet wurde, um Harmonische der Grundfrequenz auszublenden. Wenn diese Filterwirkung wegfällt, dann werden Harmonische und andere Störungen Teil des nun komplexeren Eingangssignals, sodass ein Breitband-SFDR anzugeben wäre, der deutlich abgenommen hat (Bilder 2 und 3). SFDR bei ADCs mit Differenzeingang Kann der SFDR bei Einsatz eines ADCs mit Differenzeingang von anderen Komponenten im Frontend des Systems negativ beeinflusst werden? Die meisten Highspeed ADCs nutzen eine differentielle Eingangsstruktur, um eine hohe Gleichtakt-Unterdrückung von Störungen zu erreichen. Daher ist oft eine Symmetrierung im Eingang des Systems erforderlich. Meist werden ein Balun- Transformator und ein Verstärker eingesetzt. Aber auch bei Verwendung hochwertiger Ausführungen werden sich kleine Unsymmetrien nicht vermeiden lassen. Dies bedeutet eine Verschlechterung des Signals und eine Herabsetzung des SFDRs. Denn eine Phasenungleichheit bedeutet eine Erhöhung der Harmonischen der Grundfrequenz. Diesen negativen Effekt will Bild 4 verdeutlichen. Als zweite mögliche Unsymmetrie im Frontend kommt eine Amplitudenungleichheit infrage. Diese bedeutet eine effektive Reduzierung des Nutzsignals und somit des SFDRs in dBc. Beispielsweise zieht eine 2-dB- Amplituden-Ungleichheit eine 1-dB-Full-Scale-Reduktion der Leistung des Nutzsignals für den ADC nach sich. Beide Einflüsse sollten nicht unterschätzt werden! Welche ADC-Architekturen sind kritisch für den SFDR? Einige ADCs mit Abtastraten über 1 GSPS setzen auf ein Interleaving-Schema von einigen diskreten Kanälen oder Kernkomponenten, um die volle Highspeed-Datenrate zu erzielen. Beispielsweise könnte ein Dualchannel ADC bei jeder Kernrotation durch den Datenerfassungsprozess das Interleaving nutzen, um die volle Samplerate ausnutzen zu können. Während ein Kanal abtastet, verarbeitet dabei der andere zuvor erfasste Samples. Diese interleaved Architektur kann auch drei oder mehr ADC-Kerne nutzen. Bei Einsatz der Überlappungsmethode können verschiedene ADC-Kerne parallel arbeiten, um eine höhere Samplerate zu erreichen als mit einem einzelnen Kern. Jedoch bewirken geringfügige Variationen bei Phase, Offset, Verstärkung und Bandbreite neue Interleaving- Artefakte, was den Breitband- SFDR des ADCs herabsetzt. Das erniedrigt auch den Dynamikbereich des ganzen Systems, sodass dieses nicht mehr in der Lage ist, ein sehr geringes Signal fehlerfrei zu verarbeiten. Um diese Artifakte beim interleaved ADC zu eliminieren, sollte ein Systemingenieur die Applikationsberichte studieren, in denen spezielle Kalibrations-Modi und Methoden zur Vermeidung von Störungen beschrieben werden. Die Architektur eines monolithischen ADCs mit nur einem Processing-Kern erlaubt nicht das Hervortreten von Interleaving-Störsignalen. Ein einfacher Pipeline-Kern-ADC ist ein Beispiel für einen Breitbandkonverter, der einen relativ hohen SFDR bietet, welcher typisch durch die zweite oder dritte Harmonische limitiert wird. Bild 4: Phasenfehler von wenigen Grad am Ausgang eines Baluns bzw. am Differenzeingang des ADCs. Dies kann dazu führen, dass die zweite Harmonic in der FFT höher erscheint hf-praxis 10/2017 45

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