Integrált erősítőkkel ellátott modulok használata a „fekete mágiától” való megszabaduláshoz nagy sebességű ADC-k tervezésekor

Az adatgyűjtő, a hardware-in-loop (HiL), a teljesítményelemző és más hasonló rendszerek tervezőinek olyan megfelelő analóg jelátalakító láncra van szükségük, amely nagy felbontást és nagy pontosságot képes elérni nagyon nagy, akár 15 megaminta/másodperc (MSPS) mintavételi sebesség mellett. A nagy sebességű analóg elrendezések azonban sok tervező számára „fekete mágiás” átoknak tűnhetnek, különösen akkor, amikor a jelintegritást befolyásoló rejtett parazita elemek sorával kell szembenézniük.

A tipikus kialakítások például diszkrétek, és több IC-t és alkatrészt tartalmaznak, beleértve egy teljesen differenciális erősítőt (FDA), egy első rendű aluláteresztő szűrőt (LPF), egy feszültségreferenciát és egy nagy sebességű, nagy felbontású analóg-digitális átalakítót (ADC). A kapacitív és rezisztív parazita elemek az ADC meghajtó erősítőjében (FDA), az ADC bemeneti szűrőjében, az ADC-ben, illetve ezek környezetében fordulnak elő.

E parazita elemek hatásainak kiküszöbölése, csökkentése vagy mérséklése nagy kihívást jelent. Nagyfokú szakértelmet igényel, valamint a kapcsolási rajz és a nyomtatott áramkör többszöri újratervezésével járhat, ami veszélyezteti a tervezési ütemtervet és költségvetést. Olyan teljesebb és integráltabb megoldásra van szükség, ami minél több ilyen tervezési problémát megold.

Ez a cikk egy diszkrét adatgyűjtő áramkört és a hozzá kapcsolódó elrendezési problémákat ismerteti, majd bemutat egy integrált modult, amely egy front-end FDA-val ellátott, nagy felbontású, nagy sebességű szukcesszív approximációs regiszteres (SAR) ADC-t tartalmaz. A cikk bemutatja, hogy az Analog Devices ADAQ23875 jelű komplett modulja és a hozzá tartozó fejlesztői kártya a tervezési folyamat egyszerűsítésével és felgyorsításával hogyan küszöböli ki mindazt a fejfájást, ami a nagy sebességekre való tervezéssel jár, miközben a szükséges nagy felbontású, nagy sebességű átalakítást is eredményesen megvalósítja.

A nagy sebességű adatgyűjtés jelútvonala

A nagy teljesítményű ADC-k differenciális bemeneteket használnak az általános működésnek a bemeneti jelek kiegyenlítésével, illetve a közös módusú zaj és interferencia elnyomásával történő javítása érdekében. Az analóg ADC meghajtója akkor éri el az optimális teljesítőképességét, ha a bemenetei és az ADC bemenetei is teljesen differenciálisak (1. ábra). Egy alacsony feszültségű differenciális jelátviteli (LVDS) soros interfész használata (jobbról) lehetővé teszi, hogy a rendszer rendkívül nagy sebességgel működjön adatgyűjtő, HiL és teljesítményelemző alkalmazások kiszolgálásához.

1. ábra: Nagyfrekvenciás adatgyűjtő rendszer front-end FDA-val, 1. rendű analóg szűrővel és differenciális bemenetű SAR-ADC-vel, nagy sebességű LVDS soros interfésszel. (Kép: Bonnie Baker)

Az 1. ábrán bemutatott konfiguráció számos alapvető funkciót lát el, ideértve az amplitúdó skálázását, a közös földpontú jelek differenciálissá alakítását, a pufferelést, a közös módusú offset beállítását és a szűrést is.

Az FDA meghajtási technológia

Az FDA feszültség-visszacsatolásos ADC-meghajtó működése két eltéréstől eltekintve olyan, mint egy hagyományos erősítőé. Először is, az FDA differenciális kimenettel rendelkezik, még egy további negatív kimenettel (V_ON). Másodszor, van egy hozzáadott bemenete (V_OCM), amelynek feladata a kimeneti közös módusú feszültség beállítása (2. ábra).

2. ábra: Az FDA két, visszacsatoló hurokkal ellátott bemenettel, illetve a kimeneti közös módusú feszültséget szabályozó bemenettel (V_OCM) rendelkezik. Ez a konfiguráció független differenciális bemeneti (V_{IN, dm}) és differenciális kimeneti (V_{OUT, dm}) feszültségeket eredményez. (Kép: Analog Devices)

Belsejét tekintve az FDA három erősítővel rendelkezik: kettő a bemeneti, a harmadik pedig a kimeneti fokozat. A negatív visszacsatolás (R_F1, R_F2) és a két belső bemeneti erősítő nagy nyílt hurkú erősítése miatt a VA+ és VA- bemenetek viselkedése szinte teljesen azonos. Az FDA a közös földpontú kimenet helyett szimmetrikus differenciális kimenetet hoz létre a V_OP és V_ON között, V_OCM közös módusú feszültséggel.

Kiegyensúlyozott bemeneti jel mellett a közös módusú referenciafeszültség (V_IN,cm) körüli differenciális bemeneti jelek (V_IP és V_IN) amplitúdója egyenlő, fázisa ellentétes. A differenciális módusú bemeneti feszültség (V_IN,dm) és a közös módusú bemeneti feszültség (V_IN,cm) az 1. és 2. egyenlettel számítható ki.

 1. egyenlet

 2. egyenlet

A 3. és 4. egyenlet a differenciális és közös módusú kimenet definícióit tartalmazza.

3. egyenlet

 4. egyenlet

Vegyük észre, hogy a V_OCM megjelenik a 4. egyenletben.

A tipikus erősítő áramkörökhöz hasonlóan az FDA rendszer erősítése az R_Gx és R_Fx értékektől függ. Az 5. és 6. egyenlet határozza meg az FDA két bemeneti visszacsatolási tényezőjét (β₁ és β₂).

 5. egyenlet

 6. egyenlet

Ha β₁ egyenlő β₂-vel, akkor a 7. egyenlet megadja az FDA ideális zárt hurkú erősítését.

 7. egyenlet

A V_OUT,dm a rezisztív illesztetlenségek viselkedésébe nyújt betekintést. A V_OUT,dm általános zárt hurok egyenlete a V_IP, V_IN, β₁, β₂, és V_OCM változókat tartalmazza. A 8. egyenlet a V_OUT,dm képletét mutatja az erősítő nyílt hurkú feszültségerősítésével, amely A(s) értékként van feltüntetve.

 8. egyenlet

Ha β₁ ≠ β₂, akkor a differenciális kimeneti feszültség (V_{OUT, dm}) hibája elsősorban a V_OCM-től függ. Ez a nem kívánatos eredmény offsetet és többletzajt eredményez a differenciális kimeneten. Ha β₁ = β₂ ≡ β, akkor a 8. egyenlet a 9. egyenletté alakul át.

 9. egyenlet

A kimeneti egyensúly két komponense az amplitúdó és a fázis. Az amplitúdóegyensúly a két kimeneti amplitúdó egyezését méri; ideális esetben pontosan egyeznek. A fázisegyenlőség a két kimenet közötti, ideális esetben 180°-os fáziskülönbségek közelségét méri.

Az FDA-k stabilitási szempontjai megegyeznek a standard műveleti erősítőkéivel. A legfontosabb specifikáció a fázistartalék. A termékadatlapok megadják egy adott erősítő konfiguráció fázistartalékát, azonban a nyomtatott áramköri elrendezés parazita elemeinek hatásai jelentősen csökkenthetik a stabilitást. Egy negatív feszültség-visszacsatolású erősítő esetében ez meglehetősen egyszerű: a stabilitás az A(s) × β hurokerősítéstől, annak előjelétől és nagyságától függ. Az FDA ezzel szemben két visszacsatolási tényezővel rendelkezik. A 8. és 9. egyenlet nevezőiben a hurokerősítés szerepel. A 10. egyenlet az illesztetlen visszacsatolási tényező esetére (β1 ≠ β2) írja le a hurokerősítést.

 10. egyenlet

A fenti hibák csökkentése az R_G1, R_G2, R_F1 és R_F2 diszkrét ellenállásokkal történő fáradságos és költséges illesztési folyamaton múlik.

A FDA és az ADC kombinált teljesítőképessége

Az FDA, a diszkrét ellenállások, az elsőrendű szűrő és az ADC kombinációja árulkodik a jel-zaj viszonyról (SNR), a teljes harmonikus torzításról (THD), a jel-zaj és torzításról (SINAD) és a zavarmentes dinamikatartományról (SFDR), amelyek az áramkör általános pontosságát és felbontását tekintve hozzáadódnak az FDA működési jellemzőihez. A kombinált specifikációk tartalmazzák az SNR, THD, SINAD és SFDR értékeket. Az FDA számos olyan jellemzővel rendelkezik, amelyek hatással vannak ezekre a frekvenciaspecifikációkra, ilyen például a sávszélesség, a kimeneti feszültségzaj, a torzítás, a stabilitás és a beállási idő, amelyek mind befolyásolják az ADC működését, amelynek saját műszaki jellemzői vannak. A jelentős kihívást az ADC-hez illeszkedő megfelelő FDA kiválasztása jelenti.

NyÁK terv

A nyomtatott áramköri kártyán lévő alkatrészek elrendezésének kialakítása az utolsó lépés a tervezési folyamatban. Sajnos előfordulhat, hogy erre nem helyeznek elég figyelmet, aminek eredménye egy rossz NyÁK terv lehet, ez pedig veszélyeztetheti vagy használhatatlanná teheti az áramkört. Ez a teljes diszkrét áramkör három integrált áramkörből, hat ellenállásból és több hidegítő kondenzátorból áll (3. ábra).

3. ábra: FDA és SAR-ADC, 1. rendű LPF-fel, tápellátási leválasztó kondenzátorokkal. (Kép: Analog Devices)

A 3. ábrán, a nagy sebességű áramkör működését parazita elemekként a nyomtatott áramkör parazita kapacitása és induktivitása rontják. Az alkatrészek csatlakozó felületei, a vezetősávok, az átvezetések és a tápellátás rétegeivel párhuzamos földelés a tettesek. Ezek a kapacitások és induktivitások különösen veszélyesek az erősítő összegző csomópontjainál, ahol pólusokat és nullpontokat hoznak létre a visszacsatolási válaszban, ami csúcsértékeket és instabilitást okoz.

Integrált megoldás

A SAR átalakítók FDA-t, rendkívül fontos passzív alkatrészeket, elsőrendű szűrőket, feszültségreferenciát és leválasztó kondenzátorokat tudnak nyújtani a hatékony felbontás növelése érdekében. Az Analog Devices ADAQ23875 jelű terméke például egy 16 bites, 15 MSPS sebességű adatgyűjtő modul, amely mindezekkel az elemekkel rendelkezik (4. ábra). Mint ilyen, csökkenti a precíziós mérőrendszerek fejlesztési ciklusát azáltal, hogy leveszi a tervezőről és az integrált áramkörre hárítja az alkatrészek kiválasztásával, optimalizálásával és elrendezésével járó tervezési terhet.

4. ábra: Az ADAQ23875 leegyszerűsíti a nagysebességű ADC-k tervezését azáltal, hogy egyetlen modulban egyesíti az FDA-t, az elsőrendű szűrőt és a SAR-ADC-t, amelyet az FDA körüli lézerrel beállított erősítő ellenállások, valamint a chipen lévő leválasztó kondenzátorok támogatnak. (Kép: Analog Devices)

A chipen lévő passzív rezisztív alkatrészek kiváló egyezési és driftjellemzőkkel rendelkeznek a parazitafüggő hibaforrások minimalizálásához, és optimalizált teljesítményt nyújtanak a β₁ és β₂szoros egyezésének biztosítása érdekében. Ezeknek a hurokerősítéseknek az összehangolása segít a modul ±1 mV offset értékének és 91,6 µV négyzetes középértékű teljes RMS-zaj értékének (µV_RMS) megvalósításában.

A 2,048 V-os tiltott sávú feszültségreferencia alacsony zajjal és alacsony drift-tel (20 ppm/°C) rendelkezik az FDA és a 16 bites ADC rendszer támogatása érdekében. Az FDA-val együtt ezek a specifikációk az SAR-ADC-re nézve 90 dB SNR pontosságot és ±1 ppm/°C erősítési driftet jelentenek. Az FDA V_OCM kivezetése a referencia 2,048 V-os feszültségét használja a kimeneti közös módusú feszültségének biztosítására.

Egy belső referenciapuffer kétszeresére növeli a 2,048 V-os referenciát az ADC 4,096 V-os referenciafeszültségének létrehozásához. Az ADC referenciája és a GND közötti feszültségkülönbség határozza meg az ADAQ23875 SAR-ADC-jének teljes skálájú bemeneti tartományát. Az ADAQ23875 rendelkezik továbbá egy 10 μF kapacitású, chipen belüli hidegítő kondenzátorral a referenciapuffer és a GND között, amely elnyeli az SAR-ADC referencia létrehozásával járó konverziós impulzuscsúcsokat és enyhíti a diszkrét tervezési elrendezéshez kötődő korlátokat.

Amint a 4. ábra mutatja, az FDA bemeneti közös módusú feszültsége független az FDA kimeneti közös módusú feszültségétől. Az 1- 3. példákban a tápfeszültségek a következők:

VS+ = 7 V (FDA pozitív tápfeszültség)

VS- = -2 V (FDA negatív tápfeszültség)

VDD = +5 V (ADC tápfeszültség)

VIO = 2,5 V (analóg és digitális kimeneti tápellátás)

Az 1. példa ±1,024 V-os bemeneti feszültségtartományt mutat, -1 V-os közös módusú bemeneti feszültséggel. Az FDA 2 V/V erősítést alkalmaz ezekre a jelekre és az FDA szinteltolja a kimeneti feszültséget a V_CMO értékével vagyis 2,048 V-tal. A folyamat ±2,048 V-os jeltartományt biztosít 2,048 V V_CMO közös módusú feszültséggel az FDA kimenetén. Az elsőrendű szűrő sarokfrekvenciája 1/(2pR x C) hertz vagy ~78 megahertz. Az ADC bemeneti jeltartománya ±2,048 V, +2,048 V közös módusú feszültség mellett.

Az ADAQ23875 digitális LVDS-interfésze egy- vagy kétsávos kimeneti móddal rendelkezik, lehetővé téve a felhasználó számára, hogy optimalizálja az egyes alkalmazások interfész-adatsebességét. Az interfész digitális tápellátása a VIO.

Az ADAQ23875 négy tápellátást igényel: a belső ADC mag tápellátása (VDD), a digitális bemeneti/kimeneti interfész tápellátása (VIO), az FDA pozitív tápellátása (VS+) és negatív tápellátása (VS-). A nyomtatott áramköri lapok elrendezésének megkönnyítésére az összes tápellátás kivezetése 0,1 mF vagy 0,2 mF-os chip-en belüli hidegítő kondenzátorral van ellátva. Az LDO szabályozók kimeneténél jó minőségű 2,2 μF (0402, X5R) kerámia hidegítő kondenzátorokat kell elhelyezni a nyomtatott áramköri lapon. Ezek a szabályozók hozzák létre a μModul tápsínjeit (VDD, VIO, VS+ és VS-) az elektromágneses interferenciára (EMI) való érzékenység minimalizálása és a tápvonalhibákra gyakorolt hatás csökkentése érdekében. Az összes többi szükséges hidegítő kondenzátor az ADAQ23875-ben található, ami javítja az alrendszer teljes tápfeszültség-elnyomási arányát (PSRR) valamint extra helyet takarít meg a lapon, továbbá költségmegtakarítást is jelent. A belső referencia és a belső referenciapuffer használatához az REFIN kivezetést egy 0,1 μF-os kerámia kondenzátorral hidegíteni kell a GND-hez.

Az ADAQ23875 modul kiküszöböli az ADC-hez megfelelő FDA és rezisztív hálózat kiválasztásának problémáját, miközben biztosítja a nagy teljesítményt és a szoros SNR, THD, SINAD és SFDR specifikációkat (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB, illetve 114,3 dB) (5. ábra). A rendszerspecifikációk összegyűjtése rendszerint a tervező feladata. Az ADAQ23875 rendszerszemléletű megközelítése segíti a tervezőket a specifikációk hatékonyabb megvalósításában.

5. ábra: Az ADAQ23875 modul olyan SNR, THD, SINAD, SFDR jeleket hoz létre, amelyek áthaladnak a chipen lévő FDA-n, az elsőrendű szűrőn és a SAR-ADC-n. (Kép: Analog Devices)

Az 5. ábra az ADAQ23875-re adott differenciális, 1 kHz-es bemeneti jelre vonatkozó SNR, THD, SINAD és SFDR teszteredményeket mutatja. Egy-egy adott alkalmazáshoz, az ADAQ23875-hoz készült EVAL-ADAQ23875FMCZ kártyán megtalálható az eszköz kiértékelését annak programozásával, valamint a hullámforma, a hisztogram és az FFT rögzítésével segítő szoftver is. A tervezők a fejlesztői kártyát az ADI EVAL-SDP-CH1Z rendszerdemonstrációs platformjához csatlakoztathatják tápellátás céljából, illetve a kártya PC általi, az SDP-CH1Z USB-portján keresztül történő vezérlésének lehetővé tételéhez (6. ábra).

6. ábra: Az ADAQ23875FMCZ fejlesztői kártya (balról) a rendszerbemutató platform (EVAL-SDP-CH1Z) kártyához (jobbról) csatlakoztatva. Utóbbi lehetővé teszi a fejlesztői kártya vezérlését egy PC USB portján keresztül. (Kép: Analog Devices)

A fejlesztői kártya szoftvere, az ACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21] és az ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [Feb 08 21] lehetővé teszi a felhasználó számára az egyes csatornák túlmintavételezési értékének, bemeneti tartományának, a minták számának és az aktív csatorna kiválasztásának konfigurálását. A szoftver biztosítja továbbá tesztadatfájlok mentését és megnyitását is.

Összegzés

A nagy sebességű analóg rendszerek tervezésével járó problémák leküzdése és a legjobb általános adatgyűjtési teljesítmény elérése érdekében a tervezők az ADAQ23875 modult hívhatják segítségül. Ez egy teljes nagysebességű konverziós rendszer, amely magában foglal egy FDA-t, egy 1. rendű aluláteresztő szűrőt, egy SAR-ADC-t és egy sor leválasztó kondenzátort, amelyek erősítik a gerjesztő jeleket és biztosítják a megfelelő meghajtójeleket, valamint a másodlagos jelek szűrését és visszatáplálását. Az ADAQ23875 adatgyűjtő rendszermodul egy magas integráltságú modul, amely egy teljes, nagy sebességű adatgyűjtéshez, hardver-in-loop (HiL) és teljesítményelemző alkalmazásokhoz használható FDA-SAR-ADC megoldással szabadítja meg a tervezőket az analóg rendszerekben lakozó „fekete mágiától”.