Zbavte vysokorychlostní ADC konstrukce „černé magie“ pomocí modulů s integrovanými zesilovači

Konstruktéři systémů, jako je získávání dat, hardware ve smyčce (HiL) a analyzátory výkonu, potřebují řetězec převodníku analogového signálu, který může dosáhnout vysokého rozlišení a vysoké přesnosti při velmi vysokých vzorkovacích frekvencích, často až 15 milionů vzorků za sekundu (MSPS). Vysokorychlostní analogové návrhy však mohou mnoha konstruktérům připadat jako „černá magie“, zvláště když čelí řadě skrytých parazitů, které ovlivňují integritu signálu.

Například typické konstrukce jsou diskrétní a obsahují několik integrovaných obvodů a komponent, včetně plně diferenciálního zesilovače (FDA), prvního (1^Svatý ) objednejte dolní propust (LPF), referenční napětí a vysokorychlostní analogově-digitální převodník s vysokým rozlišením (ADC). Kapacitní a odporové parazitní prvky jsou uvnitř a kolem zesilovače ADC řadiče (FDA), vstupního filtru ADC a ADC.

Odstranit, snížit nebo zmírnit účinky těchto parazitních prvků je náročné. Vyžaduje to vysokou úroveň dovedností a může vyžadovat mnoho cyklů návrhu obvodů a iterací rozvržení PC desky, což by ohrozilo harmonogramy a rozpočty návrhu. Je nutné ucelenější a integrovanější řešení, které by řešilo mnoho z těchto konstrukčních problémů.

V tomto článku popíšeme diskrétní obvod pro získávání dat a související problémy s uspořádáním a poté představíme integrovaný modul, který obsahuje převodník ADC s vysokým rozlišením a vysokorychlostní postupnou aproximací (SAR) s front-endovým zesilovačem FDA. V článku si ukážeme, jak kompletní modul ADAQ23875 společnosti Analog Devices a s ním spojená vývojová deska řeší oříšek vysokorychlostního návrhu zjednodušením a zrychlením procesu návrhu při současném dosažení požadovaných výsledků převodu ve vysokém rozlišení a vysoké rychlosti.

Signálová cesta vysokorychlostního získávání dat

Vysoce výkonné převodníky ADC používají diferenciální vstupy ke zlepšení celkové výkonnosti vyvažováním vstupních signálů a potlačováním souhlasného šumu a rušení. Analogový řadič ADC dosahuje optimálního výkonu, když jsou vstupy do analogového řadiče ADC a ADC zcela diferenciální (obrázek 1). Použití sériového rozhraní nízkonapěťové diferenciální signalizace („low-voltage differential signaling“, LVDS) (vpravo) umožňuje systému běžet extrémně vysokými rychlostmi při obsluze získávání dat, hardwaru ve smyčce (HiL) a aplikací výkonových analyzátorů.

Obrázek 1: Vysokofrekvenční systém sběru dat s front-end FDA, 1^Svatý objednejte analogový filtr a diferenciální vstup SAR-ADC s vysokorychlostním sériovým rozhraním LVDS. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Konfigurace na obrázku 1 provádí mnoho základních funkcí, včetně škálování amplitudy, převodu nesymetrického napětí na diferenciální, ukládání do vyrovnávací paměti, úpravy offsetu souhlasného napětí a filtrování.

Technologie řadičů FDA

Provoz řadiče ADC se zpětnou vazbou napětí FDA je jako tradiční zesilovač, kromě dvou rozdílů. Zesilovač FDA má nejprve diferenciální výstup s další zápornou výstupní svorkou (V_ON). Zadruhé má přidanou vstupní svorku (V_OCM), která nastavuje výstupní souhlasné napětí (obrázek 2).

Obrázek 2: Zesilovač FDA má dva vstupy se zpětnovazebními smyčkami a regulací napětí (V_OCM) výstupního souhlasného napětí. Tato konfigurace vytváří nezávislá napětí diferenciálního vstupu (V_{IN, dm}) a diferenciálního výstupu (V_{OUT, dm}). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Interně se zesilovač FDA skládá ze tří zesilovačů: dvou na vstupu a třetího s fází výstupu. Negativní zpětná vazba (R_F1, R_F2) a vysoké zesílení otevřené smyčky dvou interních vstupních zesilovačů určují chování vstupních svorek VA+ a VA− tak, aby byly prakticky stejné. Namísto výstupu nesymetrického napětí vytváří FDA symetrický diferenciální výstup mezi V_OP a V_ON se souhlasným napětím V_OCM.

Diferenciální vstupní signály (V_IP a V_IN) mají stejnou amplitudu a opačnou fázi kolem referenčního souhlasného napětí (V_{IN, cm}) s vyváženým vstupním signálem. Rovnice 1 a 2 ukazují, jak vypočítat vstupní napětí v diferenciálním režimu (V_{IN, dm}) a vstupní souhlasné napětí (V_{IN, cm}).

 Rovnice 1

 Rovnice 2

Rovnice 3 a 4 poskytují definice výstupního diferenciálního a souhlasného napětí.

 Rovnice 3

 Rovnice 4

Všimněte si přidání V_OCM do rovnice 4.

Stejně jako u typických obvodů zesilovače závisí zisk systému FDA na hodnotách R_Gx a R_Fx. Rovnice 5 a 6 definují pro FDA dva vstupní zpětnovazebné faktory, β₁ a β₂.

 Rovnice 5

 Rovnice 6

Když se β₁ rovná β₂, poskytuje rovnice 7 ideální zisk uzavřené smyčky pro FDA.

 Rovnice 7

V_{OUT, dm} poskytuje přehled o výkonnosti nepřizpůsobení odporů. Obecná rovnice uzavřené smyčky pro V_{OUT, dm} zahrnuje V_IP, V_IN, β₁, β₂ a V_OCM. Rovnice 8 zobrazuje vzorec pro V_{OUT, dm} s napěťovým zesílením otevřené smyčky zesilovače zobrazeným jako A(s).

 Rovnice 8

Pokud platí, že β₁ ≠ β₂, chyba diferenciálního výstupního napětí (V_{OUT, dm}) závisí primárně na V_OCM. Tento nežádoucí výsledek vytváří v diferenciálním výstupu offset a nadměrný šum. Pokud β₁ = β₂ ≡ β, rovnice 8 se stane rovnicí 9.

 Rovnice 9

Dvěma složkami symetrie výstupu jsou amplituda a fáze. Amplitudová symetrie vyjadřuje, zda jsou dvě výstupní amplitudy shodné. V ideálním případě se přesně shodují. Fázová symetrie vyjadřuje blízkost fázových rozdílů mezi dvěma výstupy s ideální hodnotou 180°.

Úvahy o stabilitě FDA jsou stejné jako u standardních operačních zesilovačů. Klíčovou specifikací je fázová bezpečnost. Katalogové listy produktů uvádějí fázovou bezpečnost konkrétní konfigurace zesilovače. Parazitické efekty rozložení PC desky však mohou stabilitu výrazně snížit. V případě zesilovače se zápornou napěťovou zpětnou vazbou je situace vcelku jednoduchá: stabilita závisí na zisku smyčky, A(s) × β, znaménku a velikosti. FDA má naproti tomu dva faktory zpětné vazby. Rovnice 8 a 9 mají zisk smyčky ve svých jmenovatelích. Rovnice 10 popisuje zisk smyčky pro případ nesouhlasného faktoru zpětné vazby (β1 ≠ β2).

 Rovnice 10

Zmírnění všech výše uvedených chyb závisí na zdlouhavém a nákladném procesu přizpůsobení diskrétních rezistorů R_G1, R_G2, R_F1 a R_F2.

Kombinovaný výkon zesilovače FDA a převodníku ADC

FDA, diskrétní rezistory, 1^Svatý objednávkový filtr a kombinace ADC vyprávějí příběh o odstupu signálu od šumu (SNR), celkovém harmonickém zkreslení (THD), signálu od šumu a zkreslení (SINAD) a dynamickém rozsahu bez rušivých vlivů (SFDR), který přidává k výkonovým charakteristikám FDA v celkové přesnosti a rozlišení obvodu. Kombinované specifikace zahrnují SNR, THD, SINAD a SFDR. Zesilovač FDA má řadu specifikací, které mají vliv na tyto frekvenční specifikace, jako je šířka pásma, šum výstupního napětí, zkreslení, stabilita a doba ustálení, které všechny ovlivňují výkon ADC. Převodník ADC má svůj vlastní soubor specifikací. Významnou výzvou je vybrat vhodný zesilovač FDA, aby odpovídal převodníku ADC.

Rozložení desky

Rozložení PC desky je posledním krokem v procesu návrhu. Bohužel může být rozložení přehlíženým krokem návrhu, což má za následek špatný návrh desky, který může obvod narušit nebo znehodnotit. Tento kompletní diskrétní obvod má tři integrované obvody, šest rezistorů a několik oddělovacích kondenzátorů (obrázek 3).

Obrázek 3: FDA a SAR-ADC s 1^Svatý objednejte LPF s oddělovacími kondenzátory napájení. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Na obrázku 3 jsou parazitické prvky, které zhoršují výkon vysokorychlostního obvodu – PC deska, parazitní kapacita a indukčnost. Vinu za to nesou podložky součástek, spoje, prokovy a uzemnění zapojené paralelně s napájecími rovinami. Tyto kapacity a indukčnosti jsou obzvláště nebezpečné v součtových uzlech zesilovače, kde do odezvy zpětné vazby zavádějí póly a nuly, což způsobuje špičky a nestabilitu.

Integrované řešení

Převaděče SAR mohou nabídnout FDA, klíčové pasivní součásti, 1^Svatý objednejte filtry, referenční napětí a oddělovací kondenzátory pro zvýšení efektivního rozlišení. Například model ADAQ23875 společnosti Analog Devices je 16bitový, 15MSPS modul pro získávání dat se všemi těmito prvky (obrázek 4). Jako takový snižuje vývojový cyklus systémů přesného měření tím, že přenáší návrhové zatížení výběru komponent, optimalizaci a rozvržení od konstruktéra na integrovaný obvod.

Obrázek 4: ADAQ23875 zjednodušuje konstrukci vysokorychlostních ADC kombinace FDA, 1^Svatý objednávkový filtr, SAR-ADC na jeden modul podporovaný laserově upravenými zesilovači odporu kolem FDA, stejně jako oddělovací kondenzátory na čipu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pasivní odporové součástky na čipu mají vynikající vlastnosti párování a driftu, aby se minimalizovaly parazitně závislé zdroje chyb a nabídl se optimalizovaný výkon pro zajištění těsného párování β₁ a β₂. Přizpůsobení těchto zisků smyčky pomáhá vytvořit offset modulu ±1 mV a efektivní hodnotu 91,6 µV_RMS celkové specifikace šumu RMS.

Napěťová reference typu bandgap 2,048 V má nízký šum a nízký drift (20 částic na milion na stupeň Celsia (ppm/°C)) pro podporu zesilovače FDA a 16bitového systému převodníku ADC. Ve spojení se zesilovačem FDA se tyto specifikace promítají do přesnosti SNR 90 dB převodníku SAR-ADC a driftu zisku ±1 ppm/°C. PIN V_OCM zesilovače FDA používá k zajištění výstupního souhlasného napětí 2,048 V reference.

Interní referenční vyrovnávací paměť získá referenční hodnotu 2,048 V krát dva a vytvoří 4,096 V pro referenční napětí ADC. Rozdíl napětí mezi referencí převodníku ADC a GND určuje vstupní rozmezí v celém rozsahu převodníku SAR-ADC ADAQ23875. Model ADAQ23875 má také oddělovací kondenzátor 10 μF na čipu mezi referenční vyrovnávací pamětí a GND, který absorbuje špičky nabíjení převodu reference převodníku SAR-ADC a zmírňuje omezení diskrétního návrhu.

Jak ukazuje obrázek 4, vstupní souhlasné napětí FDA je nezávislé na výstupním souhlasném napětí FDA. V příkladech jedna až tři jsou napájecí napětí:

VS+ = 7 V (kladné napájecí napětí FDA)

VS− = −2 V (záporné napájecí napětí FDA)

VDD = +5 V (napájecí napětí ADC)

VIO = 2,5 V (analogový a digitální výstupní napájecí zdroj)

Příklad 1 ukazuje rozsah vstupního napětí ±1,024 V se vstupním souhlasným napětím −1 V. Zesilovač FDA aplikuje na tyto signály zisk 2 V/V a úroveň FDA posune výstupní napětí o hodnotu při V_CMO nebo 2,048 V. Tento proces představuje rozsah signálu ±2,048 V se souhlasným napětím od V_CMO 2,48 V na výstupu FDA. 1^Svatý rohová frekvence filtru objednávky je 1 / (2pR x C) hertz (Hz) nebo ~ 78 megahertzů (MHz). Rozsah vstupního signálu do převodníku ADC je ±2,048 V se souhlasným napětím +2,048 V.

Model ADAQ23875 má digitální rozhraní LVDS s výstupními režimy pro jeden nebo dva pruhy, což uživateli umožňuje optimalizovat rychlost přenosu dat rozhraní jednotlivých aplikací. Digitální napájecí zdroj pro rozhraní je VIO.

Model ADAQ23875 má čtyři napájecí zdroje: interní napájecí zdroj převodníku ADC (VDD), napájecí zdroj digitálního vstupního/výstupního rozhraní (VIO), pozitivní zdroj FDA (VS+) a záporný zdroj (VS−). Ke zmírnění problémů s uspořádáním PC desek mají všechny napájecí piny oddělovací kondenzátory na čipu 0,1 mF nebo 0,2 mF. Kvalitní keramické oddělovací kondenzátory 2,2 μF (0402, X5R) je nezbytné umístit na PC desku na výstup regulátorů s nízkým úbytkem napětí (LDO). Tyto regulátory generují napájecí úrovně μModule (VDD, VIO, VS+ a VS−), aby minimalizovaly náchylnost k elektromagnetickému rušení (EMI) a snížily účinek na závady napájecího vedení. Všechny další požadované oddělovací kondenzátory jsou v modelu ADAQ23875, což zlepšuje celkový poměr potlačení zvlnění napájecího napětí (PSRR) a šetří další prostor a náklady na desce. Chcete-li použít interní referenci a interní referenční vyrovnávací paměť, oddělte pin REFIN od GND keramickým kondenzátorem 0,1 μF.

Modul ADAQ23875 eliminuje oříšek výběru vhodného zesilovače FDA a odporové sítě pro převodník ADC a přitom zajišťuje vysoký výkon a přísné specifikace pro SNR, THD, SINAD a SFDR (89,5 dB, −115,8 dB, 89 dB a 114,3 dB) (obrázek 5). Kolekce specifikací systému je obvykle na provedení konstruktéra. Systémový přístup modelu ADAQ23875 pomáhá návrhářům dosáhnout těchto specifikací efektivněji.

Obrázek 5: Modul ADAQ23875 vytváří specifikace SNR, THD, SINAD, SFDR, které procházejí čipem FDA, 1^Svatý objednejte filtr a SAR-ADC. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 5 ukazuje výsledky testů SNR, THD, SINAD a SFDR pro diferenciální vstupní signál 1 kHz do modelu ADAQ23875. Deska EVAL-ADAQ23875FMCZ má pro konkrétní aplikaci software, který pomáhá při hodnocení zařízení, včetně programování zařízení, průběhu, histogramu a snímání FFT. Konstruktéři mohou připojit vyhodnocovací desku k demonstrační platformě systému pro napájení EVAL-SDP-CH1Z ADI a umožnit ovládání vyhodnocovací desky počítačem přes USB port SDP-CH1Z (obrázek 6).

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska ADAQ23875FMCZ (vlevo) připojená k desce demonstrační platformy systému (EVAL-SDP-CH1Z) (vpravo), která umožňuje ovládání vyhodnocovací desky přes USB port počítače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Software vyhodnocovací desky, ACE plugin pro desku ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21] a ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [Feb 08 21], umožňuje uživateli konfigurovat hodnotu převzorkování jednotlivých kanálů, vstupní rozsah, počet vzorků a aktivní výběr kanálu. Tento software navíc umožňuje ukládat a otevírat soubory testovacích dat.

Závěr

Aby návrháři mohli překonat výzvy vysokorychlostního analogového návrhu a zajistit nejlepší celkový výkon získávání dat, mohou zkusit modul ADAQ23875. Jedná se o kompletní vysokorychlostní převodový systém, který zahrnuje FDA, 1^Svatý objednejte si dolní propust, SAR-ADC a řadu oddělovacích kondenzátorů, které zesilují budicí signály a poskytují příslušné budicí signály, stejně jako filtrování a zpětnou vazbu sekundárních signálů. Vysoce integrovaný modul, modul systému získávání dat ADAQ23875, zbavuje návrh analogové „černé magie“ pomocí kompletního řešení zesilovače FDA až převodníku SAR-ADC pro vysokorychlostní získávání dat, hardware ve smyčce (HiL) a výkonové analyzátory.