AD-Wandler und Layout für Mixed-Signal-Platinen

Zachariah Peterson
|  Created: April 28, 2020  |  Updated: January 18, 2021
AD-Wandler und Layout für Mixed-Signal-Platinen

Bei der Auswahl eines AD-Wandler (Analog-Digital-Umsetzer, engl. analog-to-digital converter)  – unabhängig davon, ob er in einen Mikrokontroller (MCU) oder als externe Komponente eingebaut ist – ist die Abtastrate ein Hauptkriterium, denn sie bestimmt, wie gut Sie ein gemessenes Signal reproduzieren können. HF-Anwendungen, analoge Sensorplatinen und andere Mixed-Signal-Geräte benötigen mindestens einen AD-Wandler (ADC) mit einer entsprechend gewählten Abtastrate.

Wenn Sie mit einer Mixed-Signal-Platine arbeiten, müssen Sie die erforderliche Signalbandbreite mit der Abtastrate und der analogen Eingangsbandbreite abstimmen. Wenn mit harmonischen Frequenzen gearbeitet wird, wird der letzte Punkt selten berücksichtigt, aber er wird wichtig, wenn Sie Impulsströme, einen breiten Bereich von harmonischen Frequenzen oder ein Signal mit großer Bandbreite erkennen müssen. Wenn Sie die falschen Abtastrate wählen, werden Sie in eine Situation geraten, in der Alias-Effekte falsche Signalartefakte erzeugen.

Sie können Nyquist für die Alias-Effekte danken

Lassen Sie uns für einen Moment zurück zu Ihrem Unterricht in Analogelektronik gehen. Erinnern Sie sich noch an die so genannte Nyquist-Frequenz, die nach dem Ingenieur Harry Nyquist benannt ist? Er war zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein regelrechter Superstar in der Telekommunikations- und Signalverarbeitungsbranche. Am bekanntesten ist er wahrscheinlich für sein Theorem, das die Abtastrate eines Signalabtastgeräts mit der Bandbreite des abgetasteten Signals in Beziehung setzt. Gemäß Nyquist muss die Abtastrate mindestens das Doppelte der Bandbreite des Signals betragen, um alle Frequenzkomponenten zu erfassen.

Dies hat wichtige Konsequenzen für Analog-Digital-Wandler und Oszilloskope, die für Zeitbereichsmessungen verwendet werden. In einem ADC arbeiten wir im Allgemeinen mit einem Signal mit endlicher Bandbreite, und wir müssen eine digitale Darstellung davon im Zeitbereich erzeugen. In Oszilloskopen kann es sein, dass wir alle  möglichen Signale (einschließlich Takt- und digitale Signale) im Zeitbereich reproduzieren müssen. Dies alles hängt von der Einstellung der geeigneten Abtastrate ab.

Vergessen Sie Ihre AD-Wandler-Bandbreite nicht

Der Wandler selbst wird ebenfalls eine gewisse endliche Bandbreite haben, genau wie jede andere analoge Komponente und ihre Signale. Genau wie ein Filter oder Verstärker definiert die analoge Bandbreite (oder (Voll-) Leistungsbandbreite, FPBW) einen -3-dB-Punkt, über den hinaus ein gewisser Roll-off stattfindet. Auch hier gibt es, genau wie bei einem Verstärker, bis zu seiner Bandbreiten-Grenzfrequenz keinen verzerrungsfreien Ausgang.

Aufgrund der endlichen Eingangsbandbreite ist die Bandbreite im Allgemeinen kleiner als die Nyquist-Frequenz, es sei denn, Sie stellen die Abtastrate sehr niedrig ein. Jenseits der Nyquist-Frequenz werden die Frequenzkomponenten aliasiert. Unten sind zwei verschiedene Arten von Antworten dargestellt, wobei der rote Bereich dem Frequenzbereich entspricht, der durch die AD-Wandler aliasiert wird.

ADC sampling rate and frequency response curves
 Ideale, maximal flache und Gauß'sche ADC-Eingangsfrequenzgangkurven.

Bei der roten Kurve wird die Eingangsfrequenz bei der Nyquist-Frequenz perfekt abgeschnitten. Dieses ideale Verhalten ist physikalisch nicht reproduzierbar, obwohl man mit den richtigen Filtern schon relativ nahe an dieses Verhalten herankommen kann. Das reale Verhalten ist denjenigen bekannt, die oft mit Oszilloskopen arbeiten: der Frequenzgang ist gaußförmig oder gaußähnlich. Für die Arbeit mit breitbandigen Signalen in Ihrer Leiterplatte empfiehlt es sich daher, einen ADC mit einer Bandbreite zu wählen, die näher an der blauen Kurve liegt. Hier haben wir eine "effektive" Nyquist-Frequenz, die gleich Fs/2,5 ist.

ADC-Abtastrate vs. Eingangsbandbreite

Wenn wir uns das obige Schaubild ansehen, sind zwei Aspekte wichtig bei der Auswahl für Ihre Mixed-Signal-Platine:

  • Signalverzerrungen treten bereits vor der Aliasing-Frequenz auf. Dies lässt sich an den gaußschen und maximal flachen Frequenzgängen ablesen.
  • Die Verwendung einer niedrigeren Abtastfrequenz verringert die Kosten, erhöht aber die Wahrscheinlichkeit, dass hochfrequente Komponenten Artefakte am Signalausgang erzeugen. Jeder, der schon einmal eine Geisterspur, künstliche Modulation oder Störimpulse auf einer Oszilloskopspur gesehen hat, ist mit diesen Artefakten bei der Signalwiedergabe vertraut.
ADC sampling rate selection for an analog signal
Die Reproduktion dieser Art von Signal erfordert die richtige ADC-Abtastrate.

Reduzieren Sie Rauschen mit Ihrer Abtastrate 

Hiermit kehren wir zur ursprünglichen Frage zurück: Was ist die beste Abtastrate? Die Antwort ist... es kommt darauf an! Wenn Ihre Mixed-Signal-Platine ein übermäßiges Breitbandrauschen auf einem Analogsignal aufweist, können Sie eine höhere Abtastrate verwenden, um dieses Rauschen zu reduzieren. Bei der Abtastung von analogen Signalen mit großer Bandbreite gilt als Faustregel, die Abtastrate irgendwo zwischen dem 2- und 5-fachen der Grundfrequenz in Ihrem Signal einzustellen.

Nach der Abtastung mit einer hohen Abtastrate können Sie den Ausgang durch einen Anti-Aliasing-Filter leiten. Durch Abtastung mit einer höheren Rate wird die Breitband-Rauschleistung über eine höhere Bandbreite verteilt, und wenn der Ausgang durch den Anti-Aliasing-Filter geleitet wird, werden die nicht benötigten höherfrequenten Komponenten, einschließlich des hochfrequenten Rauschens, abgeschnitten.

Rauschreduzierung in einem AD-Wandler-Layout bei hohen Abtastraten

Nachdem Sie mit der gewünschten Abtastrate ausgewählt haben, müssen Sie über Ihre Layout-Strategie nachdenken. Die grundlegende Layout-Regel bei AD-Wandlers in Mixed-Signal-Platinen besteht wahrscheinlich darin, dass der AD-Wandler die digitalen und analogen Abschnitte der Massefläche überbrückt, um sicherzustellen, dass diese verschiedenen Signaltypen getrennt bleiben. Wie andere Komponenten mit digitalem Ausgang ist auch ein ADC anfällig für Ground Bounce. Stellen Sie daher sicher, dass Sie einen Bypass-Kondensator verwenden, um diese Rauschquelle zu unterdrücken und eine genaue Signalwiedergabe zu gewährleisten. Erden Sie diesen Bypass-Kondensator auf der gleichen Ebene wie die Massefläche, um eine möglichst geringe Schleifeninduktivität zu erzielen.

Wenn der ADC ein HF-Signal empfängt, sollten Sie eine koplanare Hohlleiter-Konfiguration für das Routing der Eingangsleitung in Betracht ziehen. Dies trägt dazu bei, die Leitung von anderen analogen Komponenten zu isolieren und das Übersprechen zu reduzieren. Seien Sie beim Routen von Taktsignalen in der Nähe der Eingangs- oder Ausgangsleitungen eines AD-Wandlers vorsichtig, da Sie ein Übersprechen mit Ihrer Taktleitung vermeiden möchten. Übersprechen zwischen der Taktleitung und den digitalen Ausgangsleitungen erzeugt ein sinusförmiges Rauschsignal auf den Taktleitungen. Dieses kann dann als Phasenmodulation auf den analogen Eingang zurückkoppeln, wodurch eine falsche Wiedergabe des Signals bei hohen Abtastraten erzeugt wird. Versuchen Sie, beim Routing die Breitseitenkopplung zwischen Takt- und Signalleitungen zu minimieren.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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