Highspeed SAR A/D-Wandler Keine Kompromisse mehr: Genauigkeit und Geschwindigkeit bei ADCs

Mit den Familien ADC35xx und ADC36xx hat Texas Instruments acht SAR-A/D-Wandler mit einer Auflösung von 14, 16 und 18 Bit und Abtastgeschwindigkeiten von 10 bis 125 MSample/s vorgestellt. Die Highspeed-Wandler kombinieren hohe Geschwindigkeit und Dynamik mit geringem Stromverbrauch und digitalen Filtern.

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Die Entwicklungen bei A/D-Wandlern sind durch eine höhere Auflösung, Genauigkeit und Geschwindigkeit geprägt. Dies beeinflusst ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Fabrikautomatisierung oder Messtechnik.

Aufgrund der hohen Genauigkeit bei der Highspeed-Datenerfassung lassen sich Automatisierungssysteme mittlerweile in Echtzeit steuern. In einer schnellen digitalen Regelschleife ist der A/D-Wandler Bestandteil eines Systems, das auf schnelle Spannungs- oder Stromänderungen reagieren muss.

Je höher die Zahl der datenintensiven Aufgaben wird, desto mehr kommt es auf die Geschwindigkeit an. Hieraus wiederum resultiert die Forderung nach größerer Genauigkeit im Verbund mit höherer Geschwindigkeit.

Entwickler von Datenerfassungssystemen müssen an dieser Stelle stets Kompromisse hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit, Platzbedarf, Leistungsaufnahme und Kosten eingehen und zwischen SAR-(Successive-Approximation-Register) und Sigma-Delta-A/D-Wandler abwägen.

Hohe Genauigkeit und Dynamik bei geringen Stromverbrauch

Industrielle Anwendungen, bei denen SAR-A/D-Wandler mit Abtastraten zwischen 1 und mehr als 10 MSampe/s eingesetzt werden, liegen zwischen Präzisions-Delta-Sigma- und Gigasample-ADCs. Hier setzt Texas Instruments mit seinen neuen Highspeed-Datenwandlern an.

Die SAR-Wandler der Familien ADC35xx und ADC36xx umfassen acht Wandler mit Auflösungen von 14, 16 und 18 Bit sowie Abtastraten zwischen 10 und 125 MSampe/s.

„Geschwindigkeit ist heute nicht alles“, erklärt Matt Hann, Produktgruppenleiter High-Speed-Datenwandler bei Texas Instruments. Deswegen kombinieren die Highspeed-ADC höhere Genauigkeit und Dynamik mit geringerem Stromverbrauch und Größe (mehr Kanäle und Funktionen bei geringerer Bordgröße) sowie zusätzlichen Funktionen wie Vereinfachungen bei der Prozessorkonfiguration in der Signalkette und beim Filterdesign.

Die digitalen Zusatzkomponenten

So integrieren die SAR-ADCs einen digitalen Filter, mit dem die Vorteile einer Überabtastung in Kombination mit Dezimierern genutzt werden können, ähnlich, wie sie Sigma-Delta-ADCs bieten. Damit vereinfacht sich die analoge Front-End-Signalkette.

Dezimierer und die CMOS-Schnittstelle bieten Entwicklern zudem die Möglichkeit, die A/D-Wandler anstelle von FPGAs zusammen mit Arm-Prozessoren oder DSPs einzusetzen, was ebenfalls die Systemkosten senkt. Ein integrierter digitaler Abwärtswandler mit einem numerisch gesteuerten Oszillator reduziert ferner die benötigten Prozessor-Ressourcen.

Durch den digitalen Filter wird auch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die spektrale Rauschdichte (NSD) verbessert, die Ausgangsdatenrate reduziert und das Alias-Frequenzband gedämpft.

Geschwindigkeit und Rauschverhalten

Bislang mussten Entwickler bei Batteriebetriebenen Geräten Kompromisse beim Rauschen und dem Stromverbrauch eingehen. Bei den vorgestellten Wandlern ist dies nicht notwendig. So gehört der 18 Bit A/D-Wandler ADC 3683 nicht nur zu den schnellsten Wandlern der Industrie (mit 65 MSample/s bietet er laut Hann eine viermal höhere Abtastgeschwindigkeit als konkurrierende 18-Bit-Wandler bei doppelt so hoher Kanaldichte). Er punktet auch bei der Dynamik mit einem SNR von 84,2 dB und einer NSD von –160 dBFA/Hz und verbraucht dabei nur 94 mW pro Kanal. Diese Eigenschaften machen ihn zur Wahl für die hochpräzise Datenerfassung.

Mit einer Leistungsaufnahme von 36 mW vereinfacht der ADC3541 (14 Bit, 10 MSample/s) das Wärmemanagement und verlängert der Batterielaufzeit in GPS-Empfängern oder Handheld-Elektronik.

8 ns: Latenz einer Taktperiode

Verglichen mit ähnlich schnellen Bausteinen (einschließlich SAR- und Pipeline-Architekturen) zeichnet sich der zweikanalige 14-Bit-ADC ADC3664 mit 125 MSample/s durch eine um bis zu 80 Prozent geringere Latenz aus, so Hann. Dank der Latenz von einer Taktperiode (8 ns) lassen sich schnelle Regelschleifen realisieren, die in industriellen Systemen eine genauere Überwachung von Spannungs- und Stromspitzen ermöglichen. Einsatzgebiete sind beispielsweise Lithografieprozesse in der Halbleiterfertigung.

Der zweikanalige 16-Bit-Wandler ADC3660 mit 65 MSample/s zeichnet sich durch ein geringes Rauschen (82 dBFS) aus und verbraucht laut Hann mit 71 mW pro Kanal 65 Prozent weniger Strom als Wettbewerbsprodukte.

Gehäuse, Verfügbarkeit und Preise

Die auf einem 64-nm-Prozess gefertigten Bausteine ADC3563, ADC3583, ADC3643, ADC3660, ADC3663, ADC3664 und ADC3683 werden in einem WQFN-Gehäuse (very thin quad flat no-lead) mit Maßen von 5 mm x 5 mm geliefert.

Vorserien-Versionen des ADC3541 gibt es ausschließlich auf TI.com, die Massenfertigung ist für das erste Quartal 2022 angesetzt. Evaluierungsmodule sind bei TI für 249,- US-Dollar erhältlich.

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