Der latenzfreie SAR-A/D-Wandler mit 18 Bit und 15 MS/s sorgt für optimale Leistung bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen und Datenerfassungsanwendungen

Power by Linear von Analog Devices sorgt nun mit dem 18-Bit-Analog-Digitalwandler LTC2387-18 mit 15 MS/s nun dafür, dass für diese Anwendungen die SAR-Architektur (Successive Approximation Register) genutzt werden kann.

Abb. 1: SAR-Analog-Digitalwandler LTC2387-18 mit 15 MS/s und LVDS-Schnittstelle (Quelle: Power by Linear von Analog Devices)

Der LTC2387-18 bietet für Pipeline-A/D-Wandler zahlreiche Vorteile und erzielt signifikante Leistungsverbesserungen bei Anwendungen, die traditionell auf Pipeline-Wandlern basieren.

SAR oder Pipeline-Wandler?

Das Design des Analog-Digitalwandlers bietet zahlreiche Kompromisse abhängig davon, was das wichtigste Ziel des Wandlers ist: eine hohe Auflösung, eine hohe Geschwindigkeit oder eine niedrige Leistungsaufnahme.

Im Laufe der Jahre wurden viele A/D-W-Architekturen auf dem Markt angeboten, um die breit gefächerten Anforderungen zahlreicher Anwendungen abzudecken. Dabei sind die SAR- und die Pipeline-Architektur die am weitesten verbreiteten Lösungen für industrielle und medizinische Anwendungen und Instrumentierungen mit hohen Abtastraten im Bereich von kHz bis MHz und Auflösungen von bis zu 20 Bit.

In den gängigen A/D-Wandleranwendungen mit niedrigeren Frequenzsignalen ist herkömmlicherweise die SAR-Architektur (Successive Approximation Register, Register mit stufenweiser Annäherung) die erste Wahl. Sie stellt den Übergang von den hochauflösenden Delta-Sigma-Architekturen mit niedriger Geschwindigkeit zu den Hochgeschwindigkeits-Pipeline-Architekturen mit geringerer Leistung dar. SAR-Wandler sind normalerweise günstiger als Pipeline-A/D-W und verbrauchen verhältnismäßig wenig Strom. Bei SAR-Wandlern kommt es bei stufenweisen Wandlungen nicht zu einem Auftreten von Latenz. Dies macht sie zur perfekten Lösung für die Abtastung von gemultiplexten oder nicht-periodischen Signalen.

Pipeline-Wandler verwenden eine mehrstufige sequentielle Pipeline-Architektur, um die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen. Sie dominieren den Markt, wenn es um sehr hohe Abtastraten für das Erfassen breiter Signalbandbreiten oder Signale mit höheren Eingangsfrequenzen geht. Im Vergleich zu schnellen SAR-A/D-W verbrauchen Pipeline-Wandler weniger Strom. Für gemultiplexte oder nicht-periodische Eingänge sind sie ungeeignet, da sie bei jeder Änderung der Quelle die Pipeline leeren müssen, was zu einer beträchtlichen Latenz führt.

Leistungsvergleich für LTC2387 und LTC2269

Welche Leistung bringt der LTC2387-18 im Vergleich mit einem Pipeline-Wandler mit vergleichbarer Leistung? In Abbildung 2 ist ein Vergleich der wichtigsten Leistungsdaten des LTC2387-18 und des LTC2269, einem Pipeline-Wandler mit 16-Bit und 20 MS/s, dargestellt.

Abbildung 2: Leistungsvergleich zwischen LTC2387-18 und LTC2269

LTC2387-18 – Vorteile

Der LTC2387-18 bietet zahlreiche Vorteile:

• Latenz: Pipeline-A/D-Wandler müssen mehrere Latenzzyklen durchlaufen. Die SAR-Architektur des LTC2387 hat keine Latenz oder Pipeline-Verzögerung. Dies ist vor allem für Anwendungen mit Schrittmotorsteuerung wichtig, bei denen die A/D-Umwandlung Teil des negativen Feedback-Systems ist. Mit einem A/D-Wandler ohne Latenz können höhere Bandbreiten und schnellere Feedback-Reaktionen erzielt werden.

• 
  

• DC-Genauigkeit: Der LTC2387-18 bietet erstklassige INL und Offsetfehlerleistung. Obwohl der LTC2269 mehr DC-Leistung erbringt als vergleichbare Produkte, können Pipeline-A/D-Wandler bei der Verarbeitung von Unregelmäßigkeiten sehr empfindlich reagieren und damit Nichtlinearität bei der Verstärkung, dem Offset und anderen Parametern verursachen.

• 
  

• SNR: Dank des umfassenden Eingangsbereichs von 8.192Vp-p bietet der LTC2387-18 mindestens 10dB mehr SNR-Leistung als einige der besten Pipeline-A/D-Wandler mit ähnlichen Abtastrasten. Dies ist vor allem für Bildgebungsanwendungen wichtig. Lineare Array-Bildsensoren erfassen kontinuierliche Bilder und werden vor allem für Industriemelder, Luftbildfotografie und Satellitenfotografie eingesetzt. Für solche Anwendung sind Hochgeschwindigkeits-Scans mit höchst effektiver Erkennung erforderlich, die sich schnell bewegende Objekte perfekt erfassen. Das aufzunehmende Bild kann auch sehr helle oder wenig helle Objekte enthalten. Dazu muss ein dynamischer Bereich von mehr als 90 dB verfügbar sein. Die SNR- und SINAD-Serien des LTC2387-18 sind auch bei höheren Abtastraten bis in die Nyquist-Frequenz optimal einsetzbar (siehe Abb. 3). Mit diesem Leistungsunterschied heben sie sich von den SAR-A/D-Wandlern des Wettbewerbs hervor.

• 
  

• 1/f-Rauschen: Dieser Vorteil ist nicht im Datenblatt erwähnt und auch sehr schwer messbar: Die LTC2387-Architektur ermöglicht einen signifikant niedrigeren Offsetfehler. Auch das 1/f-Rauschen wird erheblich niedriger. Bei Pipeline-A/D-Wandlern muss in der Regel ein erhöhtes 1/f-Rauschen in Kauf genommen werden.

• 
  

• Layout-Abhängigkeit: Pipeline-Wandler sind eher vom Leiterplattendesign abhängig als andere Architekturen.

• 
  

• Paketgröße: Der LTC2387-18 wird in einem 5x5 QFN-32-Paket angeboten. Für den LTC2269 ist wegen der parallelen Schnittstelle das größere 7x7 QFN-48-Paket erforderlich. Die LTC2269-Version mit zwei Kanälen ist mit seriellen LVDS-Anschlüssen (LTC2271) verfügbar und wird in einem platzsparenden 7x8 QFN-52-Paket angeboten.

•  

• Abb. 3: SNR- & SINAD-Leistung des LTC2387-18 mit schnellen Eingängen bis in die Nyquist-Frequenz

• 
  

• Es sei darauf hingewiesen, dass das Signal/Rauschen-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) das Verhältnis zwischen dem Effektivwert des Eingangssignals und dem gesamten Effektivwert aller anderen Spektralkomponenten außer der Oberwellen des Signals bezeichnet. SINAD (Signal-to-(Noise + Distortion)) bezeichnet das Verhältnis der Gesamtsignalleistung zur Summe des Störsignal und das Maß umfasst die Oberwellen von Rauschen und Signal. Beide Verhältnisse enthalten DC. Da diese Oberwellenbedingungen eingeschlossen werden, nimmt SINAD bei hohen Eingangsfrequenzen schneller ab als SNR. Bei Unterabtastungsanwendungen ist SINAD in der Regel für höhere Eingangsfrequenzen, insbesondere solchen über dem ersten Nyquist-Bereich als Leistungskennwert von größerer Bedeutung. Sowohl SNR als auch SINAD werden mit vollständigen Eingängen gemessen.

LTC2269 – Vorteile

Der LTC2269 weist in einigen Bereichen Vorteile auf, zeigt jedoch auch einige Einschränkungen:

• Stromverbrauch: Der LTC2387-18 verbraucht mehr Strom als vergleichbare Pipeline-A/D-Wandler mit identischer Abtastrate. Der Designer kann ein Pin-kompatibles Teil mit niedrigerer Abtastrate aus den Produkten der LTC238x-Familie verwenden, um den Stromverbrauch zu reduzieren (siehe unten).

• 
  

• Eingangstreiber: Damit der LTC2387-18 das erstklassige Signal/Rauschen-Verhältnis erzielt, muss das analoge Eingangssignal so skaliert werden, dass der vollständige Eingangspegel von ±4,096 V genutzt wird. Der LTC2269 hat einen vollständige Eingangsspannung von ±1,05 V. Für Anwendungen mit einer falscher Signalzuordnung ist eine zusätzliche Frontend-Treiberstufe erforderlich.

• 
  

• Leistung im höheren Nyquist-Bereich: Die Vorteile des LTC2387-18 gegenüber Pipeline-A/D-Wandlern sind nur im ersten Nyquist-Bereich erkennbar, also bei einer Bandbreite von höchstens der Hälfte der Abtastfrequenz. Pipeline-A/D-Wandler eignen sich besser für die Digitalisierung von analogen Signalen des zweiten und höherer Nyquist-Bereiche für Unterabtastanwendungen. Der LTC2269 wurde durch die Reduzierung der Eingangsbandbreite insbesondere so entwickelt, dass ein hohes Signal/Rauschen-Verhältnis erzielt wird, und er eignet sich nicht für Unterabtastanwendungen.

Überlegungen zu Anwendungen

Das Datenblatt zum LTC2387-18 enthält einen ausführlichen Abschnitt mit Informationen zu Anwendungen. Im Folgenden sind dennoch die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale des Teils aufgeführt.

Serielle Schnittstelle

Der LTC2387-18 nutzt eine serielle LVDS-Schnittstelle (Low Voltage Differential Signaling) für die Übertragung von Ausgangsdaten auf ein Downstream-FPGA, einen Microcontroller oder einen DSP. Damit werden E/O-Last für den Prozessor eingespart und das digitale Rauschen im System reduziert.

Damit die Schnittstelle zu FPGAs mit niedrigerer Geschwindigkeit korrekt funktioniert, kann der LTC2387 den Ausgang auf zwei LVDS-Datenbahnen streamen. Die maximale Datenrate beträgt 800 Mbit/s. Im Modus mit zwei Bahnen beträgt die minimale Datenrate 180 Mbit/s, im Modus mit einer Bahn 360 Mbit/s.

Treiber für den LTC2387-18

Der LTC2387-18 hat einen vollständig differentiellen Eingangsbereich von ±4,096 V. Die Pins IN⁺ und IN^- müssen 180^o phasenverschoben zueinander angesteuert werden und um eine Gleichtaktspannung von V_CM = (IN⁺ + IN^-)/2 zentriert sein.

Eine Quelle mit niedriger Impedanz kann die Eingänge mit hoher Impedanz ohne Effizienzfehler antreiben, aber um optimale Leistung zu erzielen, sollte ein Pufferverstärker eingesetzt werden. Der Verstärker sorgt für niedrige Ausgangsimpedanz und ermöglicht damit ein schnelles Einschwingen des analogen Signals. Er sorgt zudem für die Isolierung zwischen der Signalquelle und der von den A/D-W-Eingängen beim Start der einzelnen Erfassungsphasen erzeugten Stromspitze, wenn die Eingänge als Kondensatorlastschalter der Treiberschaltung modelliert werden.

Abb. 4: Typische Eingangstreiberschaltung

Für diesen Zweck eignet sich der OP-Amp LT6200 mit ultraniedrigem Rauschen. Es handelt sich um einen einzelnen OP-Amp mit Rail-to-Rail-Ein- und -Ausgang mit einer Störspannung von 0,95nV√Hz. Der LT6200 bietet ein niedriges Störniveau, eine effektive Bandbreite von 165 MHz und eine Anstiegsrate von 50V/µs und ist für Signaleingangssysteme mit niedriger Spannung optimiert.

Die Filterkondensator- und Widerstandswerte für den RC-Filter sind anwendungsspezifisch. Der in Abbildung 4 dargestellte Widerstandswert führt unter zahlreichen unterschiedlichen Bedingungen zu einer guten Leistung. Der Wert für CFILT zeigt ein optimales Verhältnis: je größer der Wert desto besser der Geräuschpegel und je kleiner der Wert desto besser der Vollausschlagfehler. Auf dem Datenblatt zum LTC2387-18 befindet sich eine Grafik mit repräsentativen Werten auf der Grundlage der Abtastrate.

Es ist wichtig, dass die CFILT-Kondensatoren so ähnlich wie möglich sind. Da die Widerstände und Kondensatoren zu einer zusätzlichen Verzerrung führen können, sollte das Design Qualitätskomponenten wie Metallfilmwiderstände und driftfreie Keramik- (NPO-) oder Silberglimmerkondensatoren einsetzen.

Interne Referenzspannung

Aus Gründen der Kostenersparnis umfasst der LTC2387-18 eine präzise interne 2.048V-Referenz mit einer garantierten Anfangsgenauigkeit von 0,25 % und einem Temperaturkoeffizienten von±20 ppm/°C (maximal) sowie einem internen Referenzpuffer.

Die interne Referenz eignet sich für den Großteil an Anwendungen. Sollte jedoch eine höhere Genauigkeit erforderlich sein, empfiehlt sich der LTC6655. Hierbei handelt es sich um eine geräuscharme Präzisionsreferenz mit einem Drift von weniger als 2ppm/°C und einer Ausgangsspannung von genau ±0,025 % über dem vollständigen Temperaturbereich von –40° C to 125° C.

Überabtastung mit dem LTC2387-18

Für viele Anwendungen ist lediglich eine Abtastrate von wenigen ksps, aber ein extrem hohes Signal/Rauschen-Verhältnis erforderlich.

Medizinische Geräte wie z. B. ein Enzephalograph müssen Signale trotz hoher Rauschbelastungen erkennen können. Die elektrische Aktivität einer stimulierten Zelle (das so genannte Aktionspotential) kann zwischen 10 uV und 100 mV betragen, bei Frequenzniveaus zwischen 100 Hz und 2 kHz.

Bei einer solchen Anwendung ist die Überabtastung des relativ niedrigen oder schmalbandigen analogen Signals für die Durchführung komplexer digitaler Filterprozesse in einem Downstream-Prozessor eine gängige Vorgehensweise, um die effektive Anzahl der Bits des A/D-Wandlers und damit das Signal/Rauschen-Verhältnis zu erhöhen.

Das Signal/Rauschen-Verhältnis eines idealen A/D-Wandlers wird durch die folgende bekannte Gleichung dargestellt:

SNR (dB) = (6.02 * ENOB) + 1.76

Für jedes weitere gewünschte Auflösungsbit muss das Signal mit einem Faktor von vier überabgetastet werden:

f_OS = 4^W * f_S

wobei w die gewünschte Anzahl zusätzlicher Bit, f_S die ursprüngliche Abtastfrequenz und f_OS die Überabtastfrequenz ist.

Das Rauschen muss dem weißen Rauschen mit einer gleichförmigen spektralen Leistungsflussdichte über das jeweilige Frequenzband ähnlich sein und die Amplitude muss so groß sein, dass der Eingang zwischen den aufeinander folgenden Abtastungen zufällig um mindestens 1 LSB geändert wird.

Unter diesen Bedingungen eignet sich die Abtastrate des LTC2387-18 ideal für die Überabtastung analoger Eingänge mit Eingangsbandbreiten im Bereich von kHz zur weiteren Verbesserung der Rauschleistung.

Abb. 5: Produkte der LTC 238x-Familie

Die LTC238x-Familie zeigt mehr Flexibilität im Design

Systemdesigner können die A/D-W-Leistung für die Anwendung genau anpassen. Die Produkte der LTC238x-Familie besteht aus Pin-kompatiblen Geräten mit 16-Bit- oder 18-Bit-Auflösung für kommerzielle und industrielle Temperaturbereiche. Designer können den Stromverbrauch bei der gewünschten Auflösung reduzieren, indem sie eine Abtastrate von 5 MS/s oder 10 MS/s auswählen. Wie in Abbildung X dargestellt führt die Umstellung von einer 16-Bit- auf eine 18-Bit-Auflösung bei gleicher Abtastrate nicht zu einem höheren Stromverbrauch.

Design-Unterstützung

Mithilfe der DC2290A-A. Sie zeigt die AC-Leistung des LTC2387-18 sowie die Datenerfassungsplatine (DC718) für das PScope™-System, eine USB-basierte Produktpräsentation und ein Datenerfassungssystem.

Abbildung 6: DC2290A-A Demoplatine für den LTC2387-18

Für den Differenzverstärker sind Demoplatinen separat verfügbar, die bei Bedarf für die Verstärkung von schwachen Differentialsignalen sorgen. Für diesen Zweck eignet sich die A/D-W-Treiberplatine DC2403A. Alternativ kann die Leistung des LTC2387 direkt in dieser Schaltung bewertet werden, wenn die DC2290A an die Kundenanwendung angeschlossen wird.

Power by Linear von Analog Devices bietet verschiedene kostenlose Werkzeuge zur Erfassung und Analyse von Daten, darunter die Software „PScope” für die DC718.

Für andere Produkte der LTC238x-Familie wählen Sie die passende Kombination von Demoplatinen gemäß der folgenden Abbildung aus.

Abb. 7: Demoplatine und Treiberplatinen für die LTC238x-Familie

Fazit

Der LTC2387-18 ist ein SAR-A/D-Wandler (Successive Approximation Register) mit 15 MS/s und 18 Bit, der im Vergleich zu Pipeline-Wandlern erstklassige Leistung bis in die Nyquist-Frequenz bietet. Er überzeugt durch 20dB SNR-Optimierung, extrem niedrige Verzerrung und arbeitet ohne Zykluslatenz und Pipeline-Verzögerung.

Er ist die ideale Lösung für die Digitalisierung von analogen Breitbandsignalen für eine Vielzahl an Anwendungen z. B. für die Kommunikation, für HD-Bildgebung, medizinische Geräte und ATE. Insbesondere eignet er sich zum Schließen schneller Regelkreise, bei denen latenzfreie Vorgänge zu höherer Bandbreiten und schnelleren Reaktionen führen.