Viele Entwicklungen von A/D-Wandler(ADC)-Schnittstellen fangen mit sehr simplen Schaltungen an, die ungefähr die richtige Gleichtaktspannung für den A/D-Wandler liefern. Idealerweise kann man beim letzten Verstärker die Ausgangs-Gleichtaktspannung einfach direkt vom Referenz-Ausgang des ADC für die Gleichtaktspannung ansteuern. Für Schaltungen mit nur einer Versorgungsspannung ist ein Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgängen eine gute Wahl. Für sehr niedrige Verzerrungen benutzt man allerdings Verstärker ohne Rail-to-Rail-Ausgang, wodurch dieser Ansatz in der Umsetzung schwierig wird. Eine Fehlerquelle bei diesem Entwurf ist der Gleichtaktstrom Icm, der vom ADC gezogen wird. A/D-Wandler ohne Eingangspuffer haben an den Eingängen einen von der Abtastfrequenz abhängigen Gleichtaktstrom. Selbst Typen mit Eingangspuffer haben an dieser Stelle einen DC- Biasstrom. Dadurch verringert sich die Gleichtaktspannung am Verstärkerausgang um diesen Strom multipliziert mit dem Wert des Serienwiderstands. Die einfachste Weise die Gleichtaktspannung des Eingangssignals von der des ADC-Eingangs zu entkoppeln, ist ein AC-gekoppelter Signalpfad.
Tatsächlich wird bei so gut wie allen Evaluierungs-Boards für High-Speed-ADCs ein Eingangsübertrager verwendet, bei dem man die für den A/D-Wandler notwendige Gleichtaktspannung an den Mittelabgriff legt. Eine gängige Alternative ist, dass man statt des einen Abschlusswiderstands zwei mit halbem Wert benutzt und die Spannung dann in deren Mitte anlegt. Dies funktioniert ziemlich gut, aber man braucht eine relative große Eingangsamplitude, um die Verluste durch die Übertrager auszugleichen, damit man den kompletten Eingangsspannunsgbereich des A/D-Wandlers ausnutzen kann. Auch wenn das recht einfach aussieht, wird man beim Messen der ADC-Parameter vor den Koppelkondensator in Abbildung1 noch ein sehr schmalbandiges Bandpass-Filter schalten. Das wird normalerweise nicht gezeigt, ist aber für so genannte Single-Tone- oder Dual-Tone-Messungen von großer Bedeutung. Während die Schaltung mit den Übertragern eine relativ große Bandbreite hat, engt man mit dem Filter das Rauschspektrum am Eingang ein. In gängigen Anwendungen muss man einen signifikaten Teil der Nyquist-Zone digitalisieren, und deswegen braucht man eine Begrenzung des Rauschbandes am ADC-Eingang. Für AC-gekoppelte Schaltungen stellt sich dann die Frage, wie man am besten die Gleichtaktspannung hinbekommt und gleichzeitig dem A/D-Wandler das differenzielle und gefilterte Eingangssignal liefert. Wenn der Signalpfad sowieso AC-gekoppelt ist, dann ist es üblich, die Gleichtakt-Referenz des A/D-Wandlers über große Induktivitäten an die ADC-Eingänge einzuspeisen.
Ein Beispiel, das ein Modell der Eingänge des 12-Bit/250-MSP-ADCs KAD5512P von Intersil zeigt, sieht man in Abbildung 1. Dieses Simulationsmodell beinhaltet sowohl die Eingangscharakteristiken des A/D-Wandlers als auch das Modell seiner internen Vcm-Schaltung. Man beachte die 0,63 mA Gleichtaktstrom, die an jedem der beiden Eingänge fließen. Dadurch verringert sich die Gleichtaktspannung an den Eingängen etwas durch den internen 20-Ω-Widerstand zum Entkoppeln der 0,535-V-Spannungsreferenz. Wo das mit den niedrigen Frequenzen akzeptabel ist, da hat dieser Ansatz den Vorteil, dass die Gleichtaktspannung am ADC-Eingang unabhängig der Abtastrate und somit des Gleichtaktstroms ist. Versucht man das untere Ende der Bandbreite durch größere Induktivitäten nach unten zu verschieben, dann kann man Probleme mit der Eigenresonanz der Spulen bekommen. Die Verwendung bei höheren Frequenzen ist sicher möglich, so lange der gewünschte flache Bereich etwas weniger als eine Dekade breit ist. Für AC-gekoppelte Schnittstellen mit extremen Bandbreiten (mehrere Dekaden) kann man die Gleichtaktspannung durch zwei zum RLC-Filter gehörende Widerstände einfach einspeisen. Ein Beispiel, das von 1 kHz bis 100 MHz flach (0,5dB) ist, zeigt Abbildung 2. Die Gleichtaktspannung des A/D-Wandlers wurde hier als Thévenin-�?quivalent aus der Referenzspannung des ADC und der 3,3-V-Versorgungsspannung des Verstärkers entwickelt. Sie wurde dann von den in Abbildung 1 gezeigten 0,834 auf die 0,574 V an den ADC-Eingängen durch die Filterwiderstände von 200 Ω reduziert. Diese Schaltung wurde optimiert, um als Zwischenfilter auf einem neuen Evaluierungs-Board für Verstärker + ADC zu arbeiten, wobei der letzte Kondensator empirisch von 22 auf 10 pF verkleinert wurde, um einen flachen Frequenzgang bis 100 MHz zu erreichen (wegen der parasitären Kapazitäten auf der Leiterplatte). Während man damit einen breitbandigen Frequenzgang erhält, ändert sich nun die Gleichtaktspannung an den ADC-Eingängen mit der Abtastrate (siehe Abbildung 1). Dadurch ergibt sich auf dem angesprochenen Board eine zu verwendende Abtastrate von mindestens 200 MSamples/s anstatt der im Datenblatt des A/D-Wandlers angegebenen 80 MSamples.
Regelschleife für die ADC-Gleichtaktspannung
Wo man eine sehr breitbandige Filterstufe braucht, kann man einen niederfrequenten DC-Regelkreis zwischen den beiden Widerständen am Ausgang des differenziellen Filters einfügen (Abbildung 3). Hier wird die Gleichtaktspannung an den ADC-Eingängen gemessen (die beiden Widerstände mit 20kΩ) und in einen niederfrequenten I-Regler gegeben. Diese Regelschleife sorgt dafür, dass die Spannung an den ADC-Eingängen mit der an seinem nicht-invertierenden Eingang übereinstimmt. Diese Schaltung ist für einen 14-Bit-ADC mit 500 MSamples mit relativ niedriger Eingangsimpedanz und signifikater -kapazität. Um die Eingangsimpedanz des Filters bei geringer Einfügungsdämpfung hoch zu halten, wäre es wünschenswert, relativ große externe Widerstände parallel zu dem oben gezeigten 200-Ω-ADC-Eingangswiderstand zu haben. Mit den 1,3 mA Gleichtaktstrom in jeden Pin ergibt sich ein zu beachtender Spannungsabfall von der Steuerspannung zwischen den beiden Widerständen bis zur Gleichtaktspannung an den ADC-Eingängen. Dies sieht man in Abbildung 3 an den 2,19 V am Ausgang des Regelverstärkers ISL28113. Nicht nur, dass diese relativ simple Ergänzung der Filterschaltung zu einer sehr genauen Gleichtaktspannung am ADC führt - sie macht das auch, wenn die Abtastrate des A/D-Wandler reduziert wird und sich dadurch der Gleichtaktstrom in den ADC verringert. Das ergibt eine flexible Test- und Systemplattform für den kompletten Bereich von 80 bis 500MSamples des A/D-Wandlers. Während die meisten ADCs einen gewissen Bereich für die Gleichtaktspannung unterstützen, gleicht diese Regelschleife die meisten Produktionstoleranzen von Gleichtaktspannung und -strom sowie Widerständen aus.
Bessere Ergebnisse mit der Vcm-Regelschleife
Sogar bei gepufferten ADC-Eingangsstufen, bei denen sich Icm nicht mit der Abtastrate ändert, haben alle A/D-Wandler sehr kleine Nicht-Linearitäten der Eingangsimpedanz. Oft wird dieser Effekt bei der Charakterisierung des ADC kaschiert, indem man Signalquellen mit extrem niedrigen DC- und AC-Ausgangsimpedanzen benutzt. Wenn man nun eine Filterstufe vor den A/D-Wandler setzt, dann treten Wechselwirkungen mit dieser Nicht-Linearität der Eingangsimpedanz auf und erzeugen Verzerrungen direkt am Eingang des ADC. Oft kann man einen besseren Vcm-Arbeitspunkt finden und diesen mit oben dargestellter Regelschleife einstellen.Die komplette Testschaltung beinhaltet eine Verstärkerstufe mit 20 dB mit dem ISL55210, der das Filter und die Vcm-Regelschaltung aus Abbildung 3 treibt. Das Ergebnis zeigt einen etwas niedrigeren HD2-Wert als das Datenblatt des A/D-Wandlers (-83 dBc) wegen der zusätzlichen durch den Verstärker verursachten Verzerrungen. In diesem speziellen Fall zeigt HD3 ein klares Minimum bei 0,94 V, weit unter dem typischen Datanblattwert des ADC von -87 dBc, während HD2 relativ unabhängig von der Gleichtaktspannung ist. Das Ergebnis beinhaltet den Ausschlag des Ausgangssignals, die Belastung des Filters und dessen Frequenzverlauf, sowie den DC-Arbeitspunkt aus dem ADC und dessen Einfluss auf die Filterkonstante, während nur die Gleichtaktspannung an den ADC-Eingängen geändert wurde. Damit sollte man unabhängig von unsymmetrischen Eingangsimpedanzen des A/D-Wandlers sein. Das Profil wird sich mit der jeweiligen Filterschaltung ändern, da dessen Quellimpedanz aus Sicht der ADC-Eingänge die Verzerrungen durch die nicht-lineare Eingangsimpedanz verschlimmert. Mit der einfachen Vcm-Regelschleife aus Abbildung 3 kann man die Problematik für jedes beliebige Filter in Kombination mit einem A/D-Wandler einschätzen.
Zusammenfassung
Für die hier gezeigten Filter wird die Gleichtaktspannung für den ADC über Induktivitäten eingespeist. Das funktioniert gut über einen weiten Abtastraten-Bereich, wenn der Frequenzgang des Bandpasses nicht über einen weiten Bereich flach sein muss. Wo man einen flachen Verlauf über mehrere Dekaden braucht, kann man die Gleichtaktspannung über zwei externe Widerstände, die Teil des Filters sind, einspeisen. Mittels Spannungsteilern kann man einfach die Gleichtaktspannung einstellen. Ein geschlossener Regelkreis eliminiert so gut wie alle Einflüsse, um die richtige Vcman den Eingängen des A/D-Wandlers zu erreichen, und kann auch eine Möglichkeit sein, den SFDR zu verbessern.
