NOK | EUR | USD

Bruk moduler med integrerte forsterkere til å fjerne «svart magi» fra konstruksjon av raske A-D-omformere (ADC-er)

Av Bonnie Baker

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Designere av systemer som datainnhenting, maskinvare i sløyfen (hardware in the loop – HiL) og effektanalysatorer trenger en analog signalomformerkjede som kan oppnå høy oppløsning og høy nøyaktighet ved svært høye samplingshastigheter, ofte opptil 15 mega-samplinger per sekund (MSPS). Men høyhastighets analoge konstruksjoner kan se ut som «svart magi» for mange designere, spesielt når de står overfor en serie skjulte parasitter som påvirker signalintegriteten.

For eksempel er typiske konstruksjoner frittstående (diskrete) og inneholder flere IC-er og komponenter, inkludert en fullstendig differensialforsterker (fully differential amplifier – FDA), et første (1st) ordens lavpassfilter (LPF), en spenningsreferanse og en høyhastighets analog-til-digital-omformer (A/D converter – ADC) med høy oppløsning. De kapasitive og resistive parasittene er innenfor og rundt driverforsterkeren til A-D-omformeren (FDA-en), inngangsfilteret til A-D-omformeren og selve A-D-omformeren (ADC-en).

Det er utfordrende å eliminere, redusere eller redusere virkningene av disse parasittene. Det krever en høy grad av ferdighet og kan kreve mange kretsdesignsykluser og gjentakelser av kretskort-layout (planløsning), noe som gå utover konstruksjonsplaner og budsjetter. Det som trengs, er en mer komplett og integrert løsning som løser mange av disse konstruksjonsproblemene.

Denne artikkelen beskriver en diskret datainnsamlingskrets og problemer relate til layout, samt introduserer deretter en integrert modul som inneholder et suksessivt høyoppløselig approksimasjonsregister med høy oppløsning (successive approximation register – SAR) med høy hastighet med et front-FDA. Artikkelen viser hvordan Analog Devices sin ADAQ23875 komplette modul og tilhørende utviklingstavle kommer forbi problemene med konstruksjon av høyhastighetskonstruksjoner ved å forenkle og akselerere konstruksjonsprosessen samtidig som de fremdeles oppnår de nødvendige høyoppløselige, høyhastighets konverteringsresultatene.

Høyhastighets signalvei for datainnsamling (data acquisition signal path)

A-D-omformere med høy ytelse bruker differensialinnganger for å forbedre den samlede ytelsen ved å balansere inngangssignalene og avvise fellesmodusstøy og interferens. En analog A-D-omformer-driver (ADC-driver) oppnår optimal ytelse når inngangene til den analoge A-D-omformer-driveren og A-D-omformeren er fullt differensiale (figur 1). Bruk av LVDS-serielt grensesnitt (low-voltage differential signaling) (høyre) gjør at systemet kan kjøre ved ekstremt høye hastigheter for å betjene datainnhenting, HiL og effektanalysatorapplikasjoner.

Skjema over høyfrekvent datainnsamlingssystem med front-FDAFigur 1: Høyfrekvensdatainnsamlingssystem med et front-FDA, 1. ordens analogt filter og differensialinngang SAR-A-D-omformer med et høyhastighets LVDS-seriegrensesnitt. (Bildekilde: Bonnie Baker)

Konfigurasjonen i figur 1 utfører mange viktige funksjoner, inkludert amplitudeskalering, enkelt-endet til differensialkonvertering, bufring, justering av fellesmodusforskyvning og filtrering.

FDA-driverteknologi

A-D-omformer-driverens funksjon med FDA-spenningsmotkobling er som en tradisjonell forsterker, bortsett fra to forskjeller. Først har FDA-en differensialutgang med en ekstra negativ utgangsterminal (VON). For det andre har den en ekstra inngangsterminal (VOCM) som angir felles utgangsspenning (figur 2).

Skjemaet over FDA-en har to innganger med tilbakemeldingssløyfer og spenningskontrollFigur 2: FDA-en har to innganger med tilbakemeldingsløyfer og spenningskontroll (VOCM) av felles utgangsspenning. Denne konfigurasjonen skaper en uavhengig differensiell inngang (Vinn, dm) og differensiell utgangsspenning (VUT, dm). (Bildekilde: Analog Devices)

Internt har FDA-en tre forsterkere: to ved inngangen og den tredje fungerer som utgangstrinnet. Den negative tilbakemeldingen (RF1, RF2) og høy forsterkning med åpen sløyfe på to interne inngangsforsterkere dikterer oppførselen til inngangsterminalene, VA+ og VA–, til å være praktisk talt lik. I stedet for en endeløs utgang produserer FDA-en en balansert differensiell utgang mellom VOP og VON, med en fellesmodusspenning på VOCM.

Differensielle inngangssignaler (VIP og VIN) er like i amplitude og motsatt i fase rundt en felles referansespenning (VIN, cm) med et balansert inngangssignal. Ligninger 1 og 2 viser hvordan differensiell modus inngangsspenning (Vinn, dm) og felles inngangsspenning (Vinn, cm) beregnes.

Ligning 1 Ligning 1

Ligning 2 Ligning 2

Likning 3 og 4 gir definisjonene av utgangsdifferensial og fellesmodus (common-mode).

Ligning 3 Ligning 3

Ligning 4 Ligning 4

Legg merke til tilføyelsen av VOCM i ligning 4.

Som med typiske forsterkerkretser avhenger FDA-systemets forsterkning av RGx- og RFx-verdier. Ligningene 5 og 6 definerer de to innmatingstilbakemeldingsfaktorene β 1 og β2 for FDA.

Ligning 5 Ligning 5

Ligning 6 Ligning 6

Når β 1 er lik β2, gir ligning 7 den ideelle lukket-sløyfe-forsterkningen for FDA.

Ligning 7 Ligning 7

VUT, dm gir innsikt i ytelsen til motstandsfeil. Den generelle lukkede sløyfeligningen for VUT, dm inkluderer VIP, Vinn, β 1, β2 og VOCM. Ligning 8 viser formelen for VUT, dm med forsterkerens spenningsforsterkning med åpen sløyfe vist som A(s).

Ligning 8 Ligning 8

Når β 1 ≠ β2, avhenger differensiell utgangsspenningsfeil (VUT, dm) primært av VOCM. Dette uønskede utfallet produserer en forskyvning og overskytende støy i differensialutgangen. Hvis β 1 = β 2 ≡ β, blir ligning 8 ligning 9.

Ligning 9 Ligning 9

De to utgangsbalansekomponentene er amplitude og fase. Amplitudebalanse måler om de to utgangsamplitudene samsvarer; ideelt sett samsvarer de nøyaktig. Fasebalansen måler nærheten av faseforskjellene mellom de to utgangene med den ideelle verdien 180°.

FDA-stabilitetshensyn er de samme som for standard operasjonsforsterkere (op-amper). Nøkkelspesifikasjonen er fasemargin. Produktdatablader gir fasemarginen for en bestemt forsterkerkonfigurasjon, men parasittiske effekter av kretskort-layout kan redusere stabiliteten betydelig. Når det gjelder en negativ spenningsmotkobling-forsterker (spenningsfeedback-forsterker), er det ganske enkelt: Stabiliteten avhenger av dens sløyfeforsterkning, A(s) × β, tegn og størrelsesorden. FDA-en har derimot to tilbakemeldingsfaktorer. Ligningene 8 og 9 har løkkeforsterkningen i nevnerne. Ligning 10 beskriver sløyfeforsterkningen for det uovertrufne tilfellet av tilbakemeldingsfaktor (β1 ≠ β2).

Ligning 10 Ligning 10

Reduksjonen av alle ovennevnte feil avhenger av den kjedelige og dyre samsvarsprosessen med de diskrete motstandene RG1, RG2, RF1 og RF2.

FDA og A-D-omformer med kombinert ytelse

FDA, diskrete motstander, 1St. ordrefilter og A-D-omformer-kombinasjon forteller historien om signal-til-støy-forholdet (SNR), total harmonisk forvrengning (THD), signal-til-støy og forvrengning (SINAD) og falske-fri dynamisk område (SFDR) som gir til FDAs ytelsesegenskaper i den totale kretsnøyaktigheten og oppløsningen. De kombinerte spesifikasjonene inkluderer SNR, THD, SINAD og SFDR. FDA har mange spesifikasjoner som påvirker disse frekvensspesifikasjonene, for eksempel båndbredde, utgangsspenningsstøy, forvrengning, stabilitet og avregningstid, som alle påvirker A-D-omformerens ytelse. A-D-omformeren har sitt eget sett med spesifikasjoner. Den vesentlige utfordringen er å velge passende FDA for å matche A-D-omformeren.

Layout på trykt kretskort

Layout på kretskortet er det siste trinnet i konstruksjonsprosessen. Dessverre kan layout være et oversett designtrinn, noe som resulterer i en dårlig kortkonstruksjon som kan kompromittere eller gjøre kretsen ubrukelig. Denne fullstendige diskrete kretsen har tre integrerte kretser, seks motstander og flere frakoblingskondensatorer (figur 3).

Skjema over FDA og SAR-A-D-omformer med 1. ordens LPF med strømforsyningsavkoblingskondensatorerFigur 3: FDA og SAR-A-D-omformer med 1. ordens LPF med strømforsyningsavkoblingskondensatorer. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 3 er parasittelementene som undergraver høyhastighetskretsens ytelse, kretskortets parasittkapasitet og induktans. Komponentputer, spor, baner og jord parallelt med strømflater er de skyldige. Disse kapasitansene og induktansene er spesielt farlige ved forsterkerens summeringsnoder der de introduserer poler og nuller i tilbakemeldingsresponsen, noe som forårsaker topper og ustabilitet.

Integrert løsning

SAR-omformere kan tilby en FDA, avgjørende passive komponenter, 1. ordens filtre, en spenningsreferanse og avkoblingskondensatorer for å forbedre den effektive oppløsningen. ADAQ23875 for analoge enheter er for eksempel en 16-bits, 15 MSP-datainnhentingsmodul med alle disse elementene (figur 4). Slik reduserer den utviklingssyklusen til presisjonsmålesystemer ved å overføre den dimensjonerende belastningen av komponentvalg, optimalisering og layout fra designeren til den integrerte kretsen.

Skjema over Analog Devices ADAQ23875 forenkler utformingen av høyhastighets-A-D-omformere (klikk for å forstørre)Figur 4: ADAQ23875 forenkler designen av høyhastighets-A-D-omformere ved å kombinere et FDA, 1. ordens filter, SAR-A-D-omformere på en enkelt modul støttet av laser-trimmede forsterkningsmotstander rundt FDA-en, så vel som on-chip avkoblingskondensatorer. (Bildekilde: Analog Devices)

De passive motstandskomponentene på brikken har overlegne samsvars- og driftsegenskaper for å minimere parasittavhengige feilkilder og tilby optimalisert ytelse for å sikre tett samsvar mellom β 1 og β2. Matchningen av disse sløyfeforsterkningene bidrar til å skape modulens ±1 millivolt (mV) forskyvning og 91,6 mikrovolt effektivspenning (µVRMS) totale RMS-støyspesifikasjoner.

Båndgap 2,048-volts spenningsreferansen har lav støy og lav drift (20 deler per million per grad Celsius (ppm/°C)) for å støtte FDA-en og 16-bit A-D-omformersystemet. I forbindelse med FDA gir disse spesifikasjonene SAR-A-D-omformer 90 dB SNR-nøyaktighet og ±1 ppm/°C forsterkningsdrift. FDAs VOCM-pin bruker referansens 2,048 volt for å gi felles utgangsspenning.

En intern referansebuffer forsterker 2,048-volts referansen med to for å skape 4,096 volt for A-D-omformerens referansespenning. Spenningsforskjellen mellom A-D-omformerens referanse og GND bestemmer inngangsområdet i full skala for ADAQ23875 sin SAR-A-D-omformer. ADAQ23875 har også en on-chip 10 microfarad (μF) -koblingskondensator mellom referansebuffer og GND for å absorbere ladespisser i SAR-A-D-omformerens referansekonvertering og lette de diskrete konstruksjonsbegrensningene.

Som figur 4 viser, er FDA-ens felles inngangsspenning uavhengig av FDAs felles utgangsspenning. I eksemplene ett til tre er strømforsyningsspenningene:

VS+ = 7 volt (FDA-ens positive forsyningsspenning)

VS- = -2 volt (FDA-ens negative forsyningsspenning)

VDD = +5 volt (A-D-omformerens forsyningsspenning)

VIO = 2,5 volt (strømforsyning for analoge og digitale utganger)

Eksempel 1 viser et inngangsspenningsområde på ±1,024 volt med en inngangsspenning i fellesmodus (common-mode) på -1 volt. FDA bruker en 2 volt/voltforsterkning på disse signalene, og FDA-nivået forskyver utgangsspenningen med verdien ved VCMO eller 2,048 volt. Prosessen presenterer et signalområde på ±2,048 volt med en fellesmodusspenning fra VCMO på 2,48 volt ved FDA-ens utgang. Den 1St. bestillingsfilterets hjørnefrekvens er 1 / (2pR x C) hertz (Hz) eller ~ 78 megahertz (MHz). Signalinngangsområdet til A-D-omformeren er ±2,048 volt, med en fellesmodusspenning på +2,048 volt.

ADAQ23875 har et LVDS digitalt grensesnitt med ett- eller tofelts utgangsmodus, slik at brukeren kan optimalisere datahastigheten for hvert applikasjonsgrensesnitt. Den digitale strømforsyningen for grensesnittet er VIO.

ADAQ23875 har fire strømforsyninger: en intern kjerneforsyning for A-D-omformeren (VDD), digital inngang/utgangsgrensesnittforsyning (VIO), FDA-positiv forsyning (VS+) og negativ forsyning (VS−). For å lette utformingsproblemene for kretskortet, har alle forsyningspinnene 0,1 mF eller 0,2 mF on-chip avkoblingskondensatorer. Det er nødvendig å plassere 2,2 μF (0402, X5R) keramiske avkoblingskondensatorer av god kvalitet på kretskortet ved utgangen av LDO-regulatorene. Disse regulatorene genererer μModulforsyningsskinnene (VDD, VIO, VS+ og VS−) for å minimere elektromagnetisk interferens (EMI) følsomhet og redusere effekten på strømforsyningsledningsfeil. Alle de andre nødvendige frakoblingskondensatorene er innenfor ADAQ23875, noe som forbedrer det totale strømforsyningsavvisningsforholdet i delsystemet (PSRR), og sparer ekstra plass og kostnader på kortet. For å bruke den interne referansebufferen og den interne referansebufferen, koble REFIN-pinnen til GND med en 0,1 μF keramisk kondensator.

ADAQ23875-modulen eliminerer hodepine ved å velge egnet FDA og resistivt nettverk for A-D-omformeren, samtidig som den sikrer høy ytelse og stramme spesifikasjoner for SNR, THD, SINAD og SFDR (henholdsvis 89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB og 114,3 dB) (figur 5). Vanligvis er det opp til designeren å utføre innsamlingen av systemspesifikasjonene. Systemtilnærming for ADAQ23875 hjelper designere med å oppnå disse spesifikasjonene mer effektivt.

Bilde av Analog Devices ADAQ23875-modul oppretter SNR-, THD-, SINAD-, SFDR-spesifikasjonerFigur 5: ADAQ23875-modulen oppretter SNR-, THD-, SINAD-, SFDR-spesifikasjoner som passerer gjennom FDA på brikke, 1.ordens filter og SAR-A-D-omformer. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 5 viser SNR-, THD-, SINAD- og SFDR-prøvingsresultater for et differensielt 1 kHz inngangssignal til ADAQ23875. For en spesifikk applikasjon har EVAL-ADAQ23875FMCZ-kortet for ADAQ23875 programvare for å hjelpe til med enhetsevalueringer, inkludert enhetsprogrammering, bølgeform, histogram og FFT-opptak. Designere kan koble evalueringskortet til ADI sitt EVAL-SDP-CH1Z-systemdemonstrasjonsplattform for strøm, og for å tillate kontroll av evalueringskortet av en PC gjennom SDP-CH1Zs USB-port (figur 6).

Skjema over Analog Devices sin ADAQ23875FMCZ tilkoblet EVAL-SDP-CH1Z-kort (klikk for å forstørre)Figur 6: ADAQ23875FMCZ-evalueringskortet (venstre) koblet til systemdemonstrasjonsplattformen (EVAL-SDP-CH1Z) kort (høyre), som tillater kontroll av evalueringskortet gjennom USB-porten på en PC. (Bildekilde: Analog Devices)

Evalueringskortets programvare, ACE-tillegg for kort ADAQ23875 1.2021.8300 [18. feb 21] og ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [08. feb 21], lar brukeren konfigurere hver kanals oversampelverdi, inngangsområde, antall prøver og aktive kanalvalg. I tillegg gjør denne programvaren det også mulig å lagre og åpne testdatafiler.

Konklusjon

For å komme forbi utfordringene med høyhastighets analog design og levere den beste generelle datainnhentingsprestasjonen kan designere bruke ADAQ23875-modulen. Dette er et komplett høyhastighets konverteringssystem som inkluderer en FDA, 1St. bestille lavpasfilter, SAR-A-D-omformer, og en rekke frakoblingskondensatorer som forsterker eksitasjonssignalene og gir de riktige drivsignalene, samt filtrering og tilbakemelding av sekundære signaler. ADAQ23875 datainnhentingssystemmodulen er en høyintegrert modul som løser utformingen av analog "svart magi” med en komplett FDA til en løsning med SAR-A-D-omformer for høyhastighetsdatainnhenting, maskinvare i sløyfen (hardware in the loop – maskinvare i sløyfen) og effektanalysatorer.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Bonnie Baker

Bonnie Baker is a seasoned analog, mixed-signal, and signal chain professional and electronics engineer. Baker has published and authored hundreds of technical articles, EDN columns, and product features in industry publications. While writing “A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers” and co-authoring several other books, she worked as a designer, modeling, and strategic marketing engineer with Burr-Brown, Microchip Technology, Texas Instruments, and Maxim Integrated. Baker has an Electrical Engineering Masters degree from the University of Arizona, Tucson, and a bachelor’s degree in music education from Northern Arizona University (Flagstaff, AZ). She has planned, written, and presented on-line courses on a variety engineering topics, including ADCs, DACs, Operational Amplifiers, Instrumentation Amplifiers, SPICE, and IBIS modeling.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører