Brug moduler med integrerede forstærkere til at fjerne “Black Magic” fra ADC-design med høj hastighed

Designere af systemer som dataindsamling, hardware in the loop (HiL) og effektanalysatorer har brug for en analog signalomformerkæde, der kan opnå høj opløsning og høj nøjagtighed ved meget høje samplingshastigheder, ofte op til 15 megasamples pr. sekund (MSPS). Imidlertid kan højhastigheds analoge designs ligne "Black Magic" for mange designere, især når de står over for en række skjulte parasitter, der påvirker signalintegriteten.

For eksempel er typiske designs diskrete og indeholder flere IC'er og komponenter, herunder en fuldt differentieret forstærker (FDA), en første (1^St. ) bestil lavpasfilter (LPF), en spændingsreference og en højhastigheds analog-til-digital-konverter (ADC) med høj opløsning. De kapacitive og resistive parasitter er inden for og omkring ADC-driverforstærkeren (FDA), ADC-indgangsfilteret og ADC.

Det er en udfordring at eliminere, reducere eller afbøde virkningerne af disse parasitter. Det kræver en høj grad af dygtighed og kan kræve mange kredsløbsdesigncyklusser og itterationer af pc-kortlayout, hvilket kompromitterer designplaner og budgetter. Det, der kræves, er en mere komplet og integreret løsning, der løser mange af disse designproblemer.

Denne artikel beskriver et diskret dataindsamlingskredsløb og relaterede layoutproblemer og introducerer derefter et integreret modul, der indeholder et højopløsnings-ADC med høj hastighed successivt tilnærmelsesregister (SAR) med en front-FDA. Artiklen viser hvordan Analog Devices' ADAQ23875 komplet modul og dets tilknyttede udviklingskort overvinder hovedpine ved højhastighedsdesign ved at forenkle og fremskynde designprocessen og samtidig opnå de krævede konverteringsresultater med høj opløsning og høj hastighed.

High-speed dataopsamlings-signalsti

ADC'er med høj ydeevne bruger forskellige indgange til at forbedre den samlede ydelse ved at afbalancere indgangssignalerne og afvise støj og interferens i almindelig tilstand. En analog ADC-driver opnår optimal ydeevne, når indgangene til den analoge ADC-driver og ADC er fuldstændigt forskellige (figur 1). Brug af en med differentialsignalering (LVDS) med lav spændings og seriel grænseflade (højre) gør det muligt for systemet at køre med ekstremt høje hastigheder til applikationer til serviceindsamling, HiL og effektanalyser.

Figur 1: Et højfrekvent dataopsamlingssystem med en front-FDA, 1^St. bestil analogt filter og differentiel input SAR-ADC med et højhastigheds LVDS serielt interface. (Billedkilde: Bonnie Baker)

Konfigurationen i figur 1 udfører mange vigtige funktioner, herunder amplitudeskalering, konvertering af enkelt-til-differentiering, buffering, common-mode offsetjustering og filtrering.

FDA driver teknologi

FDA spændingsfeedback ADC-driverens drift er som en traditionel forstærker bortset fra to forskelle. For det første har FDA en differentiel output med en ekstra negativ outputterminal (V_ON). For det andet har den en ekstra indgangsterminal (V_OCM), der indstiller udgangsspændingen i common-mode (figur 2).

Figur 2: FDA har to indgange med tilbagekoblingssløjfer og spændingskontrol (V_OCM) af udgangsspændingen i almindelig tilstand. Denne konfiguration skaber en uafhængig differentiel indgang (V_{IN, dm}) og differentiel udgang (V_{OUT, dm}) spændinger. (Billedkilde: Analog Devices)

Internt har FDA tre forstærkere: To ved indgangen og den tredje, der fungerer som udgangstrin. Den negative feedback (R_F1, R_F2) og høj open-loop forstærkning af to interne indgangsforstærkere dikterer indgangsterminalernes opførsel, VA + og VA–, til at være stort set ens. I stedet for en output med en ende producerer FDA en afbalanceret differentiel output mellem V_OP og V_ON, med en common mode-spænding på V_OCM.

Differentialindgangssignalerne (V_IP og V_I) er ens i amplitude og modsat i fase omkring en common-mode referencespænding (V_{IN, cm}) med et afbalanceret indgangssignal. Ligning 1 og 2 viser, hvordan man beregner indgangsspændingen i differentieret tilstand (V_{IN, dm}) og common-mode indgangsspænding (V_{IN, cm}).

 Ligning 1

 Ligning 2

Ligning 3 og 4 giver definitioner af outputdifferentiale og common-mode.

 Ligning 3

 Ligning 4

Bemærk tilføjelsen af V_OCM i ligning 4.

Som med typiske forstærkerkredsløb afhænger FDA-systemets gevinst af R_Gx og R_Fx værdier. Ligninger 5 og 6 definerer de to inputfeedbackfaktorer, β₁ og β₂, for FDA.

 Ligning 5

 Ligning 6

Når β₁ er lig med β₂, Ligning 7 giver den ideelle lukkede gevinst for FDA.

 Ligning 7

V_{OUT, dm} giver indsigt i udførelsen af resistive mismatches. Den generelle lukkede ligning for V_{OUT, dm} inkluderer V_IP, V_I, β₁, β₂ og V_OCM. Ligning 8 viser formlen for V_{OUT, dm} med forstærkerens open-loop spændingsforstærkning vist som A (s).

 Ligning 8

Når β₁ ≠ β₂, den differentielle udgangsspænding (V_{OUT, dm}) fejl afhænger primært af V_OCM. Dette uønskede resultat producerer en forskydning og overskydende støj i differentieret output. Hvis β₁ = β₂ ≡ β, ligning 8 bliver ligning 9.

 Ligning 9

De to outputbalancekomponenter er amplitude og fase. Amplitudebalance måler, om de to outputamplituder stemmer overens; ideelt set matcher de nøjagtigt. Fasebalancen måler nærhedsgraden af faseforskellene mellem de to udgange med det ideelle svarende til 180 °.

FDA-stabilitetsovervejelser er de samme som for standard op-forstærkere. Nøglespecifikationen er fasemargen. Produktdatablad giver fasemargenen for en bestemt forstærkerkonfiguration; dog kan parasitiske effekter til printkortlayout reducere stabiliteten betydeligt. I tilfælde af en negativ spændingsfeedbackforstærker er den ret ligetil: Stabilitet afhænger af dens sløjfeforstærkning, A (s) × β, tegn og størrelsesorden. FDA har derimod to feedbackfaktorer. Ligning 8 og 9 har loopforstærkning i deres nævnere. Ligning 10 beskriver loopforstærkning for den umatchede feedbackfaktorsag (β1 ≠ β2).

 Ligning 10

Afbødningen af alle ovennævnte fejl afhænger af den kedelige og dyre tilpasningsproces med de diskrete modstande R_G1, R_G2, R_F1 og R_F2.

FDA og ADC kombineret ydeevne

FDA, diskrete modstande, 1^st. ordrefilter og ADC-kombination fortæller historien om signal-støj-forholdet (SNR), total harmonisk forvrængning (THD), signal-til-støj og forvrængning (SINAD) og falsk-frit dynamisk område (SFDR), der tilføjer til FDA's præstationsegenskaber i den samlede kredsløbsnøjagtighed og opløsning. De kombinerede specifikationer inkluderer SNR, THD, SINAD og SFDR. FDA har adskillige specifikationer, der påvirker disse frekvensspecifikationer, såsom båndbredde, udgangsspændingsstøj, forvrængning, stabilitet og afregningstid, som alle påvirker ADC's ydeevne. ADC har sit eget sæt specifikationer. Den væsentlige udfordring er at vælge den relevante FDA, der passer til ADC.

Kort layout

Pc-kortlayout er det sidste trin i designprocessen. Desværre kan layout være et overset designtrin, hvilket resulterer i et dårligt kortdesign, der kan gå på kompromis eller gøre kredsløbet ubrugeligt. Dette komplette diskrete kredsløb har tre integrerede kredsløb, seks modstande og flere afkoblingskondensatorer (figur 3).

Figur 3: FDA og SAR-ADC med 1^St. bestil LPF med kondensatorer til afkobling af strømforsyning. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 3 er de parasitære elementer, der underminerer højhastighedskredsløbets ydeevne, pc-kortets parasitære kapacitans og induktans. Komponentpads, spor, vias og jord parallelt med kraftplaner er synderne. Disse kapaciteter og induktanser er især farlige ved forstærkerens summeringsnoder, hvor de introducerer poler og nuller i feedback-responset, hvilket forårsager spidsbelastning og ustabilitet.

Integreret løsning

SAR-konvertere kan tilbyde en FDA, vigtige passive komponenter, 1^st. bestil filtre, en spændingsreference og afkoblingskondensatorer for at forbedre den effektive opløsning. For eksempel er Analog Devices 'ADAQ23875 et 16-bit, 15 MSPS dataopsamlingsmodul med alle disse elementer (figur 4). Som sådan reducerer det udviklingscyklussen for præcisionsmålesystemer ved at overføre designbelastningen af komponentvalg, optimering og layout fra designeren til det integrerede kredsløb.

Figur 4: ADAQ23875 forenkler designet af ADC'er med høj hastighed ved kombinerer en FDA, 1^st. bestil filter, SAR-ADC på et enkelt modul understøttet af lasertrimmede forstærkningsmodstande omkring FDA samt afkoblingskondensatorer on-chip. (Billedkilde: Analog Devices)

De passive on-chip resistive komponenter har overlegne matchings- og driftskarakteristika for at minimere parasitafhængige fejlkilder og tilbyder optimeret ydelse for at sikre tæt matchning af β₁ og β₂. Matchingen af disse loopforstærkninger hjælper med at skabe modulets ±1 millivolt (mV) forskydning og 91,6 mikrovolt rod middelværdi (µV_RMS) samlede RMS-støjspecifikationer.

Bandgap 2,048 volt spændingsreference har lav støj og lav drift (20 dele pr. million pr. Grad Celsius (ppm/° C)) for at understøtte FDA og 16-bit ADC-systemet. I forbindelse med FDA oversættes disse specifikationer til SAR-ADC 90 dB SNR-nøjagtighed og ±1 ppm/° C forstærkning. FDA's V_OCM pin bruger referencens 2,048 volt til at levere sin output common-mode spænding.

En intern referencepuffer opnår 2,048 volt-referencen med to for at skabe 4,096 volt til ADC-referencespændingen. Spændingsforskellen mellem ADC's reference og GND bestemmer fuldskala inputområdet for ADAQ23875s SAR-ADC. ADAQ23875 har også en chipkobling 10 mikrofarad (μF) afkoblingskondensator mellem referencebuffer og GND for at absorbere SAR-ADC referencekonverteringsladningspidser og lindre de diskrete designlayoutbegrænsninger.

Som figur 4 viser, er FDA's input-common-mode-spænding uafhængig af FDA's output-common-mode-spænding. I eksempler et til tre er strømforsyningsspændingerne:

VS+ = 7 volt (FDA positiv forsyningsspænding)

VS- = -2 volt (FDA negativ forsyningsspænding)

VDD = +5 volt (ADC forsyningsspænding)

VIO = 2,5 volt (analog og digital udgangsstrømforsyning)

Eksempel 1 viser et indgangsspændingsområde på ±1,024 volt med en input-common mode-spænding på -1 volt. FDA anvender en 2 volt/volt forstærkning på disse signaler, og FDA-niveauet forskyder udgangsspændingen med værdien ved V_CMO eller 2,048 volt. Processen præsenterer et signalområde på ±2,048 volt med en common-mode spænding fra V_CMO på 2,48 volt ved FDA's output. Den 1^St. ordre filter hjørne frekvens er 1 / (2pR x C) hertz (Hz) eller ~ 78 megahertz (MHz). Signalindgangsområdet til ADC er ±2,048 volt med en common-mode spænding på +2,048 volt.

ADAQ23875'erne har en LVDS digital grænseflade med en-bane eller to-bane outputtilstande, så brugeren kan optimere hver applikations interface-datahastighed. Interfaceens digitale strømforsyning er VIO.

ADAQ23875 har fire strømforsyninger: En intern ADC-kerneforsyning (VDD), digital input/output interface-forsyning (VIO), FDA-positiv forsyning (VS+) og negativ forsyning (VS-). For at afhjælpe problemer med pc-kortlayout har alle forsyningsstifter 0,1 mF eller 0,2 mF afkoblingskondensatorer on-chip. Det er nødvendigt at placere 2,2 μF (0402, X5R) keramiske afkoblingskondensatorer af god kvalitet på printkortet ved udgangen af LDO-regulatorerne. Disse regulatorer genererer μModule-forsyningsskinner (VDD, VIO, V+ og VS-) for at minimere modtagelighed for elektromagnetisk interferens (EMI) og reducere effekten på strømforsyningsledningsfejl. Alle de andre nødvendige afkoblingskondensatorer ligger inden for ADAQ23875, hvilket forbedrer det samlede delsystems strømafvisningsforhold (PSRR) og sparer ekstra kortplads og omkostninger. For at bruge den interne reference og den interne referencebuffer afkobles REFIN-stiften til GND med en keramisk kondensator på 0,1 μF.

ADAQ23875-modulet eliminerer hovedpine ved at vælge det passende FDA og resistive netværk til ADC, samtidig med at der stadig sikres høj ydeevne og stramme specifikationer for henholdsvis SNR, THD, SINAD og SFDR (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB og 114,3 dB (Figur 5). Normalt er det op til designeren at udføre indsamlingen af systemspecifikationerne. ADAQ23875's systemtilgang hjælper designere med at nå disse specifikationer mere effektivt.

Figur 5: ADAQ23875-modulet opretter SNR, THD, SINAD, SFDR-specifikationer, der passerer gennem on-chip FDA, 1^St. -ordre filter og SAR-ADC. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 5 viser SNR-, THD-, SINAD- og SFDR-testresultaterne for et differentielt 1 kHz-indgangssignal til ADAQ23875. For en bestemt applikation, EVAL-ADAQ23875FMCZ ADAQ23875-kortet har software til at hjælpe med enhedsevalueringer, herunder enhedsprogrammering, bølgeform, histogram og FFT-indfangning. Designere kan forbinde evalueringskortet til ADI'er EVAL-SDP-CH1Z systemdemonstrationsplatform til strøm og tillade kontrol af evalueringskortet af en pc gennem SDP-CH1Z's USB-port (figur 6).

Figur 6: ADAQ23875FMCZ-evalueringskortet (til venstre), der er forbundet til systemdemonstrationsplatformen (EVAL-SDP-CH1Z) -kortet (højre), hvilket muliggør kontrol af evalueringskortet gennem USB-porten på en pc. (Billedkilde: Analog Devices)

Evalueringskort software,ACE-plugin til kort ADAQ23875 1.2021.8300 [18. februar 21] og ACE-installationssoftware 1.21.2994.1347 [Feb 08 21], giver brugeren mulighed for at konfigurere hver kanals oversamplingsværdi, inputområde, antal samples og aktivt kanalvalg. Derudover gør denne software det også muligt at gemme og åbne testdatafiler.

Konklusion

For at overvinde udfordringerne ved højhastigheds analogt design og levere den bedste samlede dataindsamlingsydelse kan designere henvende sig til ADAQ23875-modulet. Dette er et komplet konverteringssystem med høj hastighed, der inkluderer en FDA, 1^St. bestil lavpasfilter, SAR-ADC og en række afkoblingskondensatorer, der forstærker excitationssignalerne og giver de relevante drevsignaler samt filtrering og tilbageføring af sekundære signaler. ADAQ23875 dataindsamlingssystemmodulet er et meget integreret modul, der redder designet af analog “Black Magic” med en komplet FDA til SAR-ADC-løsning til hurtig dataindsamling, hardware i loop (HiL) og effektanalysatorer.