ADC’s en DAC’s veel meer dan componenten in de marge

AD-en DA-converters lijken voor de leek componenten in de kantlijn. De ontwikkeling is echter allesbehalve triviaal. Moderne embedded systemen stellen hoge eisen aan het verbruik, de resolutie en de flexibiliteit. Vincent Arkesteijn en Daniël Schinkel van Axiom IC gaan in op de uitdagingen en kansen voor dataconverters aan de hand van deze parameters.

Componenten die signalen omzetten van analoog naar digitaal en vice versa zijn terug te vinden in bijna alle elektronische (embedded) systemen. Ogenschijnlijk zijn het bouwstenen in de periferie, maar ze kunnen vaak sterk van invloed zijn op de architectuur en performance van het complete systeem. Zo wordt de ontwikkeling van software-defined radio in belangrijke mate bepaald door de mogelijkheden en onmogelijkheden van state-of-the-art dataconverters. Ook in inmiddels al meer klassieke toepassingen zoals digitale audio behoren deze componenten tot de kern van het systeem en daarom krijgen ze tot op de dag van vandaag veel aandacht van onderzoekers en ontwikkelaars.

Een belangrijke trend is ook dat de dataconverters steeds verder migreren richting het begin of einde van het signaalpad, met steeds minder analoge signaalverwerking voor respectievelijk na de converter. De signaalbewerking gebeurt vervolgens digitaal. Dit creëert flexibele systemen, maar verhoogt ook de eisen aan de converter. Gecombineerd met de wens voor lage energieconsumptie betekent dit dat een omzetter steeds beter moet presteren met minder resources.

In dit artikel proberen we de ontwikkelingen op het gebied van dataconverters kort uit de doeken te doen, onder meer aan de hand van een aantal concrete voorbeelden van converters waar we in ons bedrijf Axiom IC aan hebben gewerkt. De uitdagingen en kansen voor dataconverters komen aan bod, belicht vanuit achtereenvolgens de wens voor laag verbruik, hoge resolutie en flexibiliteit.

Femtojoule

Met de opkomst van mobiele systemen is energieconsumptie voor alle elektronische schakelingen een hot item geworden. Ook voor ADC‘s in sensoren is power een belangrijke parameter, zeker nu het aantal sensoren in systemen steeds verder toeneemt en de ADC steeds dichter bij de sensor komt te zitten. In het bijzonder voor sensoren die hun energie uit de omgeving halen (energy harvesting), moet het verbruik laag blijven. Bovendien is het belangrijk dat er alleen energie wordt verbruikt als de ADC ook wat nuttigs aan het doen is.

De eisen aan snelheid of resolutie van dit soort ADC‘s kunnen afhankelijk van de toepassing sterk uiteenlopen. Vaak voldoet een 10 tot 12 bit ADC met een snelheid van enkele kilosamples per seconde tot maximaal een paar megasamples per seconde. ADC‘s die dergelijke specificaties halen, bestaan allang, maar toch is het een gebied dat nog steeds volop in ontwikkeling is om de consumptie verder omlaag te krijgen.

Stanford-onderzoeker Boris Murmann houdt al jaren bij hoe de ontwikkelingen op het gebied van ADC‘s verlopen. In Figuur 1 is weergegeven hoe de energieconsumptie (genormaliseerd naar resolutie, ook wel bekend als converter figure of merit) zich ontwikkelt over de jaren. De trend is een gemiddelde afname in verbruik van een factor twee per ongeveer twee jaar. Deze vooruitgang wordt onder meer bewerkstelligd door innovaties in circuits die de mogelijkheden van moderne IC-technologieën steeds beter benutten. De ontwikkeling kan helaas niet altijd doorgaan.

Uiteindelijk loopt het vast op de grens dat er een zeker vermogen nodig is om boven de thermodynamische ruis uit te komen. Deze ruis is – zoals de naam al doet vermoeden – afhankelijk van de temperatuur van het circuit. Het is natuurlijk altijd mogelijk om de circuits te koelen (wat voor enkele ruiskritieke toepassingen zoals in GSM-basisstations ook werkelijk gebeurt), maar dat is niet een bijzonder energie-efficiënte oplossing.

Een wat algemener bruikbare techniek is om de converter zo te ontwerpen dat er ook alleen vermogen wordt uitgegeven voor die bewerkingen die dat vanwege ruiseisen nodig hebben. De energieoverhead is tot nu toe meestal vele malen groter dan de werkelijk benodigde energie, maar we komen langzamerhand al wat dichter in de buurt van de grens. Het rood gemarkeerde punt in de figuur is een voorbeeld van een ADC waar alles uit de kast is gehaald om de overhead tot een minimum te beperken. Deze 10 bit ADC haalt 4,4 femtojoule per conversiestap. Hij komt uit de koker van de Universiteit Twente. Binnen Axiom IC hebben we de principes vervolgens verder ontwikkeld en toegepast.

Voor een DAC van een vergelijkbare resolutie kan het zelfs nog een stuk zuiniger. De theoretische energie die bijvoorbeeld een 10 bit DAC nodig heeft in verband met de thermische-ruisgrens is op kamertemperatuur maar 13 fJ per sample (13 attojoule per conversiestap). Het theoretische vermogen dat in een DAC moet worden verstookt, wordt pas voor hogere resoluties significant. Bij 20 bit heeft een DAC al 13 nJ per sample (13 fJ per conversiestap) nodig. Met bijvoorbeeld 48 duizend samples per seconde (typisch voor audio) zou dat uitkomen op een vermogen van 0,6 mW.

Covox

Een klassieke consumententoepassing waar een hoge resolutie een van de belangrijkste parameters is, is audioreproductie. Er zijn echter ook veel minder bekende, professionele toepassingsgebieden waar hoge resolutie gewenst is, bijvoorbeeld voor seismisch onderzoek en in de ruimtevaart. Axiom IC heeft samen met het ruimtevaartinstituut SRon recentelijk bijvoorbeeld een stralingsharde 24 bit converter ontwikkeld voor de seismische sensor van een marslander.

Op het gebied van digitale audioreproductie is er de laatste jaren ook veel veranderd. Het is nog niet zo lang geleden dat enthousiaste pc-gebruikers hun eigen DAC bouwden door een aantal weerstanden aan de printerpoort te solderen. Het grote probleem van zo‘n Covox was dat er precieze weerstandswaarden voor nodig waren. Als er wat afwijkingen zaten tussen de verschillende weerstanden, nam de toch al niet al te beste geluidskwaliteit nog verder af.

Het matchen van de verschillende DAC-componenten ten opzichte van elkaar is nog steeds een van de grootste uitdagingen in high-performance (audio-)DAC‘s (dus ook voor ADC‘s, want elke ADC bevat ook een DAC). Om bijvoorbeeld geluid van cd-kwaliteit te reproduceren met een klassieke DAC, mogen de DAC-elementen maar ongeveer een duizendste procent van hun bedoelde waarde afwijken.

Dit probleem is een tijdje omzeild, toen begin jaren negentig de 1 bit sigma-delta-DAC‘s populair werden (de bitstream-cd-spelers). Als je maar één DAC-element gebruikt, kun je immers geen fouten maken door afwijkingen tussen verschillende elementen. Dergelijke converters schakelen op hoog tempo tussen de twee bittoestanden, zodanig dat het gemiddelde signaal goed overeenkomt met het gewenste signaal. Ze zijn echter heel gevoelig voor schakelfouten en produceren veel hoogfrequente energie die moet worden weggefilterd met kostbare filters.

Vandaar dat de laatste jaren de zogenaamde multibit-sigma-deltaconverters in zwang zijn gekomen. Dit zijn converters die nog steeds snel schakelen tussen een beperkte set waarden (typisch tussen de 16 en 64) om zo gemiddeld een goed signaal te krijgen In vergelijking met de 1 bit varianten produceren ze echter een stuk minder hoogfrequente energie. Zie ook Figuur 2 voor de verschillen in signalen.

Het matchprobleem wordt in multibit-sigma-deltaconverters meestal opgelost met digitale algoritmes die ervoor zorgen dat elk element gemiddeld even vaak wordt gebruikt. Ook bij Axiom IC gebruiken we diverse digitale algoritmes om de converters zo ongevoelig mogelijk te maken voor analoge imperfecties. In het project met SRON was een dergelijk algoritme een belangrijk ingrediënt om de gewenste 24 bit resolutie te kunnen halen.Dit soort digitale algoritmes maakt niet alleen converters van hogere kwaliteit mogelijk, maar verlegt ook een stuk van de complexiteit in de converter van het analoge naar het digitale domein. Dit is gunstig omdat digitale schakelingen steeds goedkoper en sneller worden naarmate de IC-technologie voortschrijdt, terwijl de ’analoge‘ kwaliteiten van de transistoren alleen maar afnemen – transistoren worden steeds betere schakelaars, maar steeds slechtere versterkers.

Software-defined radio

Een toepassing die de laatste jaren veel aandacht krijgt en waar de (on)mogelijkheden van ADC‘s en DAC‘s grote invloed hebben op het systeemontwerp, is software(-defined) radio. Hierbij is het doel om een radio te maken die via software kan worden ingesteld op verschillende frequentiebanden en modulatiesoorten. De meest voor de hand liggende manier om dit te realiseren, is om het signaal van de antenne direct met een ADC te converteren en vervolgens alle radiofunctionaliteit (filteren, demoduleren) in software te implementeren. Dit stelt echter zeer hoge eisen aan de ADC‘s. Voor een toepassing die verschillende WLan-standaarden combineert, zou bijvoorbeeld een bemonsteringssnelheid tot 12 GS/s en een resolutie van 11 bit nodig zijn. Totdat er converters beschikbaar komen die aan deze eisen voldoen en een acceptabel energieverbruik halen, is deze oplossing niet mogelijk.

Wat wel kan, is het signaal eerst omlaag mengen met een mixer, dan filteren en vervolgens alsnog AD-conversie toepassen. Dit lijkt alweer flink op een traditionele radio-ontvanger. Er is echter een belangrijk verschil: we willen namelijk nog steeds signalen van meerdere standaarden ontvangen. Dat betekent dat het kanaalfilter niet smaller mag zijn dan het breedste signaal dat we willen ontvangen en er dus bij smallere signalen meerdere kanalen tegelijk worden ontvangen. Deze buurkanalen kunnen vaak flink sterker zijn dan het bedoelde kanaal, wat hoge eisen stelt aan het dynamische bereik van de ADC.

Een ander punt is dat elke standaard andere eisen stelt aan de resolutie en bandbreedte van de ADC. Een ADC die dat allemaal aankan, is over de hele linie overgedimensioneerd. Een betere oplossing is dan ook om de ADC instelbaar te maken, zodat voor elke standaard precies aan de eisen wordt voldaan. Diezelfde flexibiliteit kan dan ook worden gebruikt om bijvoorbeeld stroom te sparen op het moment dat het ontvangen signaal sterk genoeg is en een minder goede ADC zou volstaan. Bij Axiom IC werken we op dit moment aan zo‘n instelbare/programmeerbare ADC.

In de toekomst zullen er vast nog criteria bijkomen die nog niet de revue zijn gepasseerd. Dataconverters blijven immers altijd een integraal onderdeel van elektronische systemen. De wereld om ons heen is nou eenmaal analoog van nature. De algemene wens om in een elektronisch systeem zo snel mogelijk naar digitale signaalbewerking toe te gaan, maakt het ontwerpen van de converters zeer uitdagend, zowel wat betreft analoge circuits als digitale algoritmes.