Analogtipp Überlegungen zum Takteingang von A/D-Wandlern

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ROHM Semiconductor GmbH

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Um in einem schnellen A/D-Wandler ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzielen, muss der Effektivwert des Takt-Jitters je nach erforderlicher Eingangsfrequenz sorgfältig gewählt werden. Wir zeigen, wie das geht.

Für eine optimale Leistungsfähigkeit sollten die Eingänge eines A/D-Wandlers für den Abtasttakt (CLK+ und CLK−) mit einem differenziellen Signal getrieben werden. Dieses Signal gelangt normalerweise per AC-Kopplung über einen Transformator oder über Kondensatoren an die Anschlüsse CLK+ und CLK−. Diese Anschlüsse sind intern vorgespannt und benötigen keine zusätzliche Bias-Spannung.

Schnelle hochauflösende A/D-Wandler reagieren empfindlich auf die Qualität des Takteingangs. Um in einem schnellen A/D-Wandler ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzielen, muss der Effektivwert des Takt-Jitters je nach erforderlicher Eingangsfrequenz sorgfältig gewählt werden. Der Effektivwert des Takt-Jitters kann selbst bei den leistungsstärksten A/D-Wandlern das SNR begrenzen. Noch stärker wird dieser Effekt bei höheren Eingangsfrequenzen. Die Absenkung des SNR bei einer bestimmten Eingangsfrequenz (f_A) nur aufgrund von Apertur-Jitter (t_J) lässt sich gemäß Gleichung 1 berechnen:

Der Effektivwert des Apertur-Jitters wird durch die Quadratwurzel aller Jitter-Quellen einschließlich Takteingang, Analog-Eingangssignal und Apertur-Jitter des A/D-Wandlers beschrieben. ZF-Anwendungen, die mit Unterabtastung arbeiten, sind besonders empfindlich gegenüber Jitter, wie Bild 1 zeigt. Während sich die analoge Eingangsfrequenz des A/D-Wandlers mit dem gleichen Effektivwert des Jitters verdreifacht, sinkt das SNR um 10 dB.

Die Kurve zeigt die durch das Signal/Rausch-Verhältnis begrenzte Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Eingangsfrequenzen über unterschiedliche Profile des Effektivwert-Takt-Jitters. Bei steigender Eingangsfrequenz ist ein niedrigerer Effektivwert des Takt-Jitters erforderlich, um die gleiche SNR-Grenze zu erreichen wie bei niedrigeren Eingangsfrequenzen. Zum Beispiel begrenzt der Effektivwert eines Takt-Jitters von 200 fs den SNR eines A/D-Wandlers auf nicht besser als 70 dB bei 250 MHz. Ein Eingangssignal von 1 GHz hingegen würde einen Takt-Jitter mit einem Effektivwert von 50 fs benötigen, um die gleiche Leistungsfähigkeit zu erzielen.

In Fällen, in denen der Apertur-Jitter den Dynamikbereich des A/D-Wandlers beeinträchtigen kann, sollte man den Takteingang als Analogsignal behandeln. Um eine Modulation des Taktsignals mit digitalem Rauschen zu vermeiden sollten separate Stromversorgungen für Takttreiber und die Ausgangstreiber des A/D-Wandlers verwendet werden. Falls das Taktsignal aus einer anderen Quelle erzeugt wird (durch Gating, Teilung oder andere Methoden), sollte im letzten Schritt ein erneutes Timing auf das ursprüngliche Taktsignal stattfinden.

* Ian Beavers arbeitet als Staff Engineer in der Gruppe Digital Video Processing bei Analog Devices in Greensboro, USA.

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