Dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern, Teil 1

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Die Spezifikationen der dynamischen Leistungsfähigkeit

• Die Harmonische Verzerrung ist das Verhältnis des Effektivwerts des Signals zum Effektivwert der entsprechenden Harmonischen und wird normalerweise in dBc angegeben (Dezibel unter Carrier). In Audio-Anwendungen können harmonische Verzerrungen auch prozentual spezifiziert werden. Die Harmonische Verzerrung ist spezifiziert durch das Eingangssignal in der Nähe der Vollaussteuerung (normalerweise 0,5 bis 1 dB unter dem Vollausschlag, um Clipping zu verhindern), kann aber auch bei beliebigem Pegel definiert werden. Bei Signalen, die wesentlich niedriger als die Vollaussteuerung sind, können andere Verzerrungen aufgrund der differenziellen Nichtlinearität (DNL) des Wandlers – nicht direkte Harmonische – die Leistungsfähigkeit einschränken.
• Total Harmonic Distortion (THD) oder die gesamte harmonische Verzerrung ist das Verhältnis aus Effektivwert des Grundsignals und Mittelwert der Quadratsumme seiner Harmonischen (normalerweise sind nur die ersten fünf Oberwellen von Bedeutung). Die THD eines A/D-Wandlers ist normalerweise auch zum Eingangssignal in der Nähe der Vollaussteuerung definiert, obwohl sie zu jedem Pegel spezifiziert werden kann. THD entspricht in etwa dem Klirrfaktor.
• Total Harmonic Distortion plus Noise (THD + N) oder die gesamte harmonische Verzerrung plus Rauschen ist das Verhältnis aus dem Effektivwert des Grundsignals und dem Mittelwert der Quadratsumme seiner Oberwellen zuzüglich aller Rauschkomponenten (ausschließlich DC). Die Bandbreite über die das Rauschen gemessen wird, muss spezifiziert sein. Bei einer FFT ist die Bandbreite DC bis fs/2. (Entsprichtt die Bandbreite der Messung DC bis fs/2 (Nyquist-Bandbreite), entspricht THD + N SINAD – siehe Teil 2). Zu beachten ist, dass in Audio-Anwendungen die gemessene Bandbreite nicht unbedingt die Nyquist-Bandbreite sein muss.
• Der störungsfreie Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) ist das Verhältnis aus Effektivwert des Signals und Effektivwert des größten Störsignals, unabhängig von seiner Lage im Frequenzspektrum. Die größte Störung kann eine Harmonische des Ursprungssignals sein oder auch nicht. Der SFDR ist eine wichtige Größe in Kommunikationssystemen, weil er den kleinsten Wert des Signals repräsentiert, welcher sich von einem großen, überlagerten Signal unterscheiden lässt (Blocker). Der SFDR kann in Bezug auf die Vollaussteuerung (dBFS) oder in Bezug auf die tatsächliche Signalamplitude (dBc) spezifiziert werden. Die Definition des SFDR ist in Bild 4 grafisch dargestellt.

A/D-Wandler-Simulationsprogramm

Mit dem A/D-Wandler-Simulationsprogramm ADIsimADC lassen sich verschiedene, leistungsfähige A/D-Wandler mit unterschiedlichen Frequenzen, Pegeln und Abtastraten evaluieren. Die Modelle ergeben eine genaue Darstellung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit. Ein typische FFT-Analyse für das 80 MSample/s schnelle 14 Bit Modell AD9444 zeigt Bild 5. Zu beachten ist, dass die Eingangsfrequenz 95,111 MHz beträgt und durch den Abtastprozess auf 15,111 MHz gespiegelt wird. Der Ausgang zeigt auch die Lage der ersten fünf Harmonischen. In diesem Fall entstehen alle Oberwellen aufgrund von Aliaseffekten (Verletzung des Abtasttheorems). Das Programm berechnet ferner die wichtigsten Leistungsparameter und stellt diese tabellarisch dar (Bild 5, linke Spalte).

Im zweiten Teil des Beitrags werden Signal/Rausch- und Verzerrungsverhältnis (SINAD), Signal/Rausch-Verhältnis und effektive Anzahl von Bits (ENOB) näher erläutert.

*Walt Kester ist als Senior-Applikationsingenieur bei Analog Devices in Greensboro, USA tätig.

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