Använd moduler med integrerade förstärkare för att få bort "svartkonsten" från konstruktioner med snabba A/D-omvandlare

Systemkonstruktörer av system inom datainsamling, hårdvara "in the loop" (HiL) och effektanalysatorer behöver en analog signalomvandlarkedja som klarar hög upplösning och hög noggrannhet vid mycket höga samplingsfrekvenser, ofta upp till 15 megasamples per sekund (MSPS) . Dock kan många analoga konstruktioner för höga hastigheter upplevas som svartkonst för många konstruktörer, särskilt när de står inför en mängd dolda parasitära impedanser som påverkar signalkvaliteten.

Exempelvis är typiska mönster diskreta och innehåller flera IC: er och komponenter, inklusive en helt differentiell förstärkare (FDA), en första (1^st ) beställa lågpassfilter (LPF), en spänningsreferens och en höghastighets analog-till-digital-omvandlare (ADC) med hög upplösning. De kapacitiva och resistiva parasiterna finns i och runt A/D-drivförstärkaren (FDA), A/D-ingångsfiltret och A/D-omvandlaren.

Att eliminera, minska eller mildra effekterna av dessa parasiter är utmanande. Det kräver hög kompetens och kan kräva många cykler av kretsdesign och iterationer av kretskortlayouten, vilket riskerar konstruktionsplaneringen och budgeten. Det som krävs är en mer komplett och integrerad lösning som löser många av konstruktionsproblemen.

Denna artikel beskriver en diskret datainsamlingskrets och relaterade layoutproblem och introducerar sedan en integrerad modul som innehåller en A/D-omvandlare med ett högupplöst, snabbt successivt approximationsregister (SAR) med en FDA på användarsidan. Artikeln visar hur Analog Devices kompletta modul ADAQ23875 och dess tillhörande utvecklingskort bemästrar konstruktionsproblemen genom att förenkla och påskynda konstruktionsprocessen och samtidigt klarar en högupplöst, snabb omvandling.

Signalbanan för snabb datainsamling

A/D-omvandlare med hög prestanda använder differentiella ingångar för att förbättra den totala prestandan genom att balansera insignalerna och avvisa brus och störningar i common-mode. En analog A/D-omvandlardrivkrets uppnår optimal prestanda när ingångarna till den analoga A/D-omvandlardrivkretsen och A/D-omvandlaren är helt differentiella (Figur 1). Användningen av ett seriellt differenssignalgränssnitt med låg spänning (LVDS, höger) gör att systemet kan köras i extremt höga hastigheter i tillämpningar för datainsamling, HiL och effektanalysatorer.

Figur 1: Ett högfrekvent datainsamlingssystem med en front-end FDA, 1^st beställ analogt filter och differentiell ingång SAR-ADC med ett höghastighets LVDS seriellt gränssnitt. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Konfigurationen i figur 1 utför flera viktiga funktioner, inklusive amplitudskalning, konvertering enkelände till differential, buffring, common-mode-offsetjustering och filtrering.

FDA-drivkretsteknik

A/D-omvandlardrivkretsens funktion med FDA-spänningsåterkoppling är som en traditionell förstärkare förutom med två skillnader. För det första har FDA:n en differentialutgång med en extra minus-utgång (V_ON). För det andra har den en extra ingång (V_OCM) som anger common-mode-utgångsspänningen (Figur 2).

Figur 2: FDA har två ingångar med återkopplingsslingor och spänningsreglering (V_OCM) av common-mode-utgångsspänningen. Denna konfiguration skapar oberoende differentialingångs- (V_{IN, dm} ) och differentialutgångsspänningar (V_{OUT, dm}). (Bildkälla: Analog Devices)

Internt har FDA:n tre förstärkare: två vid ingången och den tredje som fungerar som utgångssteg. Den negativa återkopplingen (R_F1 , R_F2 ) och hög öppen kretsförstärkning på de två interna ingångsförstärkarna dikterar beteendet på ingångarna, VA+ och VA–, så att de är praktiskt taget identiska. Istället för en enda utgång producerar FDA:n en balanserad differentialutgång mellan V_OP och V_ON, med en common-mode-spänning på V_OCM.

Differentialingångssignalerna (V_IP och V_I) är lika i amplitud och motsatta i fas kring en common-mode-referensspänning (V_{IN, cm}) med en balanserad insignal. Ekvationerna 1 och 2 visar hur man beräknar differentialspänningen (V_{IN, dm}) och common-mode-ingångsspänningen (V_{IN, cm}).

Ekvation 1

Ekvation 2

Ekvationerna 3 och 4 ger definitionerna av utgångsdifferentialen och common-mode.

Ekvation 3

Ekvation 4

Observera tillägget av V_OCM i ekvation 4.

Som med typiska förstärkarkretsar beror FDA-systemets förstärkning på värdena R_Gx och R_Fx. Ekvationerna 5 och 6 definierar de två återkopplingsfaktorerna på ingångarna, β₁ och β₂, för FDA:n.

Ekvation 5

Ekvation 6

När β₁ är lika med β₂, ger Ekvation 7 den idealiska återkopplade förstärkningen för FDA:n.

Ekvation 7

V_{OUT, dm} ger en förståelse för beteendet hos resistiva felparningar. Den allmänna ekvationen för sluten återkoppling för V_{OUT, dm} inkluderar V_IP , V_I , β₁ , β₂ och V_OCM. Ekvation 8 visar formeln för V_{OUT, dm} med förstärkarens öppna spänningsförstärkning visad som A (s).

Ekvation 8

När β₁ ≠ β₂, beror differentialutspänningen (V_{OUT, dm} ) främst på V_OCM. Detta oönskade beteende ger en nivåskiftning och ökat brus på differentialutgången. Om β₁ = β₂ ≡ β, blir ekvation 8 ekvation 9.

Ekvation 9

De två utgående balanskomponenterna är amplitud och fas. Amplitudbalansen mäter huruvida de två utgångsamplituderna matchar; idealiskt matchar de exakt. Fasbalansen mäter närheten mellan fasskillnaderna mellan de två utgångarna med idealvärdet 180 °.

FDA-stabilitetsövervägandena är desamma som för vanliga op-förstärkare. Nyckelspecifikationen är fasmarginalen. Produktdatablad ger fasmarginalen för en viss förstärkarkonfiguration; dock kan parasitiska effekter från kretskortlayouten avsevärt minska stabiliteten. När det gäller en förstärkare med negativ spänningsåterkoppling är den ganska enkel: stabiliteten beror på den återkopplade förstärkningen, A(s) × β, tecken och storlek. FDA:n har däremot två återkopplingsfaktorer. Ekvationerna 8 och 9 har återkopplingsförstärkningen i sina nämnare. Ekvation 10 beskriver återkopplingsförstärkningen för fallet med omatchad återkopplingsfaktor (β1 ≠ β2).

Ekvation 10

Minskningen av alla ovanstående fel beror på den tråkiga och dyra matchningsprocessen med de diskreta motstånden R_G1, R_G2, R_F1 och R_F2.

Kombinerad prestanda hos FDA:n och A/D-omvandlaren

FDA, diskreta motstånd, 1^st orderfilter och ADC-kombination berättar historien om signal-brus-förhållandet (SNR), total harmonisk distorsion (THD), signal-till-brus och distorsion (SINAD) och falskt fri dynamiskt omfång (SFDR) som lägger till till FDA: s prestandaegenskaper i den totala kretsnoggrannheten och upplösningen. De kombinerade specifikationerna inkluderar SNR, THD, SINAD och SFDR. FDA:n har många specifikationer som påverkar dessa frekvensspecifikationer, såsom bandbredd, utgångsspänningsbrus, distorsion, stabilitet och stabiliseringstid, vilka alla påverkar ADC:ns prestanda. A/D-omvandlaren har sin egen uppsättning specifikationer. Den stora utmaningen är att välja en lämplig FDA för att matcha A/D-omvandlaren.

Kretskortslayout

Kretskortslayouten är det sista steget i konstruktionsprocessen. Tyvärr kan layouten bli ett förbisett konstruktionssteg, vilket resulterar i en dålig kortdesign som kan försämra kretsen eller göra den oanvändbar. Denna kompletta, diskreta krets har tre integrerade kretsar, sex motstånd och flera avkopplingskondensatorer (Figur 3).

Figur 3: FDA och SAR-ADC med 1^st beställ LPF med kondensatorer för frikoppling av strömförsörjning. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 3 är kretskortets kapacitans och induktans de parasitära element som försämrar höghastighetskretsens prestanda. Komponentpaddar, spår, skiktgenomgångar och jord parallellt med signalplanen är de skyldiga. Dessa kapacitanser och induktanser är särskilt farliga vid förstärkarens summeringsnoder där de medför poler och nollor i återkopplingssvaret, vilket orsakar toppar och instabilitet.

Integrerad lösning

SAR-omvandlare kan erbjuda en FDA, viktiga passiva komponenter, 1^st beställ filter, en spänningsreferens och frikopplingskondensatorer för att förbättra den effektiva upplösningen. Analog Devices ADAQ23875, exempelvis, är en 16-bitars datainsamlingsmodul på 15 MSPS med alla dessa element (Figur 4). Som sådan förenklar den utvecklingscykeln för precisionsmätsystem genom att överföra allt konstruktionsarbete med komponentval, optimering och layout från konstruktören till IC:n.

Figur 4: ADAQ23875 förenklar utformningen av höghastighets-ADC med kombinerar en FDA, 1^st beställ filter, SAR-ADC på en enda modul som stöds av lasertrimmade förstärkningsmotstånd runt FDA, samt frikopplingskondensatorer på chip. (Bildkälla: Analog Devices)

De passiva resistiva komponenterna på chippet har enastående matchnings- och avdriftsegenskaper för att minimera parasitberoende felkällor och erbjuder optimerad prestanda för att säkerställa en snäv matchning mellan β₁ och β₂ . Matchningen av dessa loopförstärkningar bidrar till att åstadkomma ±1 mV offsetspänning och modulens övergripande brusspecifikation på 91,6 µV_RMS (effektivvärdesspänning).

Bandgapets spänningsreferens på 2,048 volt har lågt brus och låg avdrift (20 ppm/°C)) för att stödja FDA:n och A/D-omvandlarsystemet på 16-bitars. I kombination med FDA kan dessa specifikationer översättas till 90 dB SNR-noggrannhet och ±1 ppm/°C förstärkning för SAR-A/D-omvandlaren. FDA:s V_OCM-pinnen använder referensens 2,048 volt för att ge dess common-mode-utgångsspänning.

En intern referensbuffert förstärker 2,048-voltsreferensen med en faktor 2 för att skapa 4,096 volt till A/D-omvandlarens referensspänning. Spänningsskillnaden mellan A/D-omvandlarens referens och GND bestämmer ingångsintervallet i full skala för ADAQ23875:s SAR-A/D-omvandlare. ADAQ23875 har också en 10 μF avkopplingskondensator på chippet mellan referensbufferten och GND för att absorbera SAR-A/D-omvandlarens laddningstransienter i referensomvandlingen, och mildra layoutbegränsningarna i den diskreta konstruktionen.

Som figur 4 visar är FDA:ns ingående common-mode-spänning oberoende av FDA:ns utgående common-mode-spänning. I exempel ett till tre är strömförsörjningsspänningarna:

VS+ = 7 volt (positiv matningsspänning FDA)

VS- = -2 volt (negativ matningsspänning FDA)

VDD = +5 volt (matningsspänning A/D-omvandlare)

VIO = 2,5 volt (strömförsörjning med analog och digital utgång)

Exempel 1 visar ett ingångsspänningsintervall på ±1,024 volt med en common-mode-ingångsspänning på -1 volt. FDA pålägger en förstärkningsfaktor på 2 volt/volt på dessa signaler och FDA-nivån förskjuter utspänningen med värdet av V_CMO, dvs. 2,048 volt. Processen resulterar i ett signalintervall på ± 2,048 volt med en common-mode-spänning från V_CMO på 2,48 volt på FDA-utgången. Den 1^st beställningsfilterets hörnfrekvens är 1 / (2pR x C) hertz (Hz) eller ~ 78 megahertz (MHz). Signalingångsintervallet till A/D-omvandlaren är ±2,048 volt, med en common mode-spänning på +2,048 volt.

ADAQ23875 har ett digitalt LVDS-gränssnitt med utgångslägen för en eller två kanaler, så att användaren kan optimera respektive applikations gränssnittsdatahastighet. Den digitala strömförsörjningen till gränssnittet är VIO.

ADAQ23875 har fyra strömförsörjningar: en intern ADC-kärnmatning (VDD), digital in-/utgångssgränssnittsmatning (VIO), plusmatning (VS+) och minusmatning (VS-) till FDA. För att mildra problem med kretskortslayouten har alla matningspinnar 0,1 mF eller 0,2 mF avkopplingskondensatorer integrerade på chippet. Det är nödvändigt att placera va 2,2 μF (0402, X5R) keramiska avkopplingskondensatorer av hög kvalitet på kretskortet vid utgången från LDO-regulatorerna. Dessa regulatorer genererar μModule-försörjningsnivåerna (VDD, VIO, VS + och VS−) för att minimera känsligheten för elektromagnetisk interferens (EMI) och minska effekten på matningsledningarna. Alla andra nödvändiga avkopplingskondensatorer ligger inom ADAQ23875, vilket förbättrar subsystemets övergripande dämpningsförhållande (PSRR) och sparar ytterligare kortutrymme och kostnader. För att använda internreferensen och internreferensbufferten, ska REFIN-pinnen kopplas av mot GND med en keramisk kondensator på 0,1 μF.

ADAQ23875-modulen eliminerar snåriga problem med att välja lämplig FDA och resistansnät för A/D-omvandlaren, samtidigt som den fortfarande säkerställer hög prestanda och snäva specifikationer för SNR, THD, SINAD och SFDR (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB respektive 114,3 dB) (Figur 5). Insamlingen av systemspecifikationerna är vanligtvis upp till konstruktören att utföra. ADAQ23875:s systembaserade tillvägagångssätt hjälper konstruktörer att uppnå dessa specifikationer mer effektivt.

Figur 5: ADAQ23875-modulen skapar SNR-, THD-, SINAD-, SFDR-specifikationer som passerar genom FDA-chipet, 1^st -beställningsfilter och SAR-ADC. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 5 visar SNR-, THD-, SINAD- och SFDR-testresultaten för en differentiell ingångssignal på 1 kHz till ADAQ23875. För en specifik tillämpning, har EVAL-ADAQ23875FMCZ ADAQ23875-kortet programvara som hjälper till med utvärderingar av produkter, såsom produktprogrammering, vågform, histogram och FFT-registrering. Konstruktörer kan ansluta utvärderingskortet till ADI:s systemdemonstrationsplattform EVAL-SDP-CH1Z för strömmatning och för att möjliggöra styrning av utvärderingskortet med en PC via SDP-CH1Z:s USB-port (Figur 6).

Figur 6: utvärderingskortet ADAQ23875FMCZ (vänster) anslutet till systemdemonstrationsplattformens (EVAL-SDP-CH1Z) kort (höger), vilket möjliggör styrning av utvärderingskortet via USB-porten på en dator. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskortets programvara, ACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [18 feb 21] och ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [8 feb 21], ger användaren möjlighet att konfigurera varje kanals översamplingsvärde, ingångsintervall, antal samples och aktivt kanalval. Dessutom gör denna programvara det också möjligt att spara och öppna testdatafiler.

Slutsats

För att klara utmaningarna med snabba analoga konstruktioner och leverera bästa övergripande datainsamlingsprestanda, kan konstruktörer överväga att använda ADAQ23875-modulen. Detta är ett komplett omvandlingssystem med hög hastighet som inkluderar en FDA, 1^st beställ lågpassfilter, SAR-ADC och en uppsättning av frikopplingskondensatorer som förstärker excitationssignalerna och ger lämpliga drivsignaler, samt filtrering och återmatning av sekundära signaler. Den högintegrerade datainsamlingssystemmodulen DAQ23875, befriar konstruktionen från analog “svartkonst” med en komplett FDA till SAR-A/D-omvandlarlösning för snabb datainsamling, hårdvara "in the loop" (HiL) och effektanalysatorer.