Superschnelle rauscharme Digital-Analog-Wandler

Integrierte Schaltkreise sind keine idealen Bauelemente und Digital-Analog-Wandler bilden hierbei keine Ausnahme. Rauschen und Nichtlinearität der Bauelemente erlauben keinen Frequenzbereich eines rein analogen Signals, in dem sämtliche Energie mit der gewünschten Frequenz konzentriert ist. Systemarchitekten beziehen sich auf den störungsfreien dynamischen Bereich (spurious-free dynamic range, SFDR), um das Verhältnis zwischen dem Grundsignal und dem stärksten Rauschen oder der Komponente der harmonischen Verzerrung, dem Klirrfaktor, zu messen.

In Hinblick auf Leistung und Zuverlässigkeit von Digital-Analog-Wandlern arbeiteten die Wissenschaftler innerhalb von HSDAC (A 16-bit, 2 giga -sample-per-second, digital-to-analog converter with 85 dB SFDR at Fout=400MHz) mit Nachdruck an der Reduzierung des störungsfreien dynamischen Bereichs bei hohen Frequenzen. Ziel war ein SFDR-Wert von 85 dB, was 9 dB über dem besten verfügbaren Digital-Analog-Wandler (Stand von 2014) liegt. Ein geringer SFDR gewährleistet, dass der Sender keine Störsignale in die benachbarten Frequenzbänder sendet, welche Luft oder Kabel durchqueren.

Die Wissenschaftler nutzten diverse Techniken wie parasitäre Extraktion, Monte-Carlo- und Corner-Analyse, um einen 16-Bit-Zweikanal-DAC mit geringer Leistung zu entwerfen. Durch optimierte Transistorgrößen, minimierte Schaltkreisgrößen und verringerte Zeitverzögerungen der segmentierten Stromquellen erzielten sie SFDR-Werte von weniger als 78 dB bei 240 MHz. Nach Erhöhung der Signalabtastrate erzielte man folglich 1,1 GHz Ausgangsfrequenz, und nach Beschneiden des Taktbaums erzielte das Team 85 dB SFDR bei geringem Ausgangshub. Auch eine DDR-Schnittstelle (doppelte Datenübertragungsrate; Double Data Rate) und ein digitaler Filter mit Quantisierungseigenschaften wurden konzipiert, die 95 dB SFDR unterstützen können.

Zusätzlich zu dem ersten DAC, bei dem Doppelkaskodenstromquellen verwendet werden, konzipierte das Projektteam einen weiteren Wandler mit Ausgangsstrom, der von einer gefalteten Kaskodenschaltung stammt. Verschiedene Ansätze kamen zur Anwendung, um das Übersprechrauschen zu minimieren. Weitere Layoutiterationen sind notwendig, um bei Post-Layout-Simulationen einen störungsfreien dynamischen Bereich von 85 dB zu überschreiten.

Die Erzeugung akkuraterer Wellenformen bei hohen Frequenzen erfordert die Identifizierung und das Verständnis von DAC-Fehlermechanismen. HSDAC leistete hier einen zukunftsweisenden Beitrag, wobei die Resultate in zahlreichen Publikationen veröffentlicht wurden.