Serie A/D-Wandler: Die Parameter SINAD, ENOB und SNR Dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern, Teil 2

SINAD, SNR, ENOB, THD, THD + N und SFDR beschreiben die dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern. Um die Werte in den Datenblättern richtig zu interpretieren, ist nicht nur das qualitative Verstehen der Parameter wichtig. Wir erläutern im zweiten Teil unserer Serie die mathematischen Zusammenhänge zwischen SINAD, SNR und THD.

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Im ersten Teil dieses Beitrags wurden die Spezifikationen THD, THD + N und SFDR zur Quantifizierung der dynamischen Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern erläutert. Der zweite Teil geht auf die Spezifikationen SINAD, SNR und ENOB ein.

Das Signal/Rausch- und Verzerrungsverhältnis (SINAD) sowie das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und die effektive Bitanzahl (ENOB) sind bei der Spezifikation von A/D-Wandlern sehr wichtig. Allerdings verwenden nicht alle Hersteller konsequent diese Definitionen in den Datenblättern.

• Das Signal/Rausch- und Verzerrungsverhältnis (SINAD) oder S/(N + D) ist das Verhältnis aus Effektivwert der Signalamplitude und Mittelwert der Quadratsumme aller anderen spektralen Komponenten einschließlich Harmonischer, aber ohne Gleichspannungsanteil. SINAD ist ein gutes Maß für die gesamte dynamische Leistungsfähigkeit eines A/D-Wandlers, weil es alle Komponenten beinhaltet, aus denen sich Rauschen und Verzerrung zusammensetzen. Häufig wird SINAD für verschiedene Eingangsamplituden und Frequenzen dargestellt.

Für eine bestimmte Eingangsfrequenz und Amplitude entspricht SINAD der gesamten harmonischen Verzerrung plus Rauschen THD + N. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Bandbreite für die Rauschmessung identisch ist (Nyquist-Bandbreite). Eine grafische Darstellung des SINAD für den A/D-Wandler AD9226 mit 12 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 65 MSample/s zeigt Bild 6.

Aus der SINAD-Kurve ist ersichtlich, dass die AC-Leistungsfähigkeit des A/D-Wandlers aufgrund der hochfrequenten Verzerrung sinkt und normalerweise für Frequenzen weit über der Nyquist-Frequenz dargestellt wird, damit die Leistungsfähigkeit in Anwendungen mit „Undersampling“ evaluiert werden kann. SINAD-Kurven wie diese sind sehr nützlich, um die dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern zu evaluieren. SINAD wird oft in die effektive Bitanzahl (ENOB) konvertiert. Dabei wird die Beziehung für das theoretische SNR eines idealen A/D-Wandlers mit n Bit genutzt: SNR = 6,02 N + 1,76 dB. Die Gleichung wird aufgelöst nach N und der SINAD-Wert ersetzt SNR (Gleichung 1):

(Gl. 1)

Gleichung 1 basiert auf der Annahme, dass das Eingangssignal voll ausgesteuert ist (Vollausschlag). Falls der Signalpegel reduziert wird, sinken der Wert für SINAD und ENOB. Deswegen muss zur Berechnung der effektiven Bitanzahl bei reduzierten Signalamplituden ein Korrekturfaktor eingeführt werden (Gleichung 2):

(Gl. 2)

Der Korrekturfaktor „normiert” im Wesentlichen den ENOB-Wert auf den Vollauschlag und zwar unabhängig von der tatsächlichen Signalamplitude.

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