Utilizarea modulelor cu amplificatoare integrate pentru a elimina „magia neagră” din proiectarea ADC de mare viteză

Proiectanții de sisteme, precum cele de achiziție a datelor, hardware în buclă (HiL) și analizoarele de putere, au nevoie de un lanț de conversie a semnalelor analogice care să poată obține o rezoluție și o precizie ridicată la rate de eșantionare foarte mari, adesea de până la 15 mega-eșantioane pe secundă (MSPS). Cu toate acestea, proiectele analogice de mare viteză pot părea „magie neagră” pentru mulți proiectanți, în special atunci când se confruntă cu o serie de elemente parazite ascunse care afectează integritatea semnalului.

De exemplu, modelele tipice sunt discrete și conțin mai multe circuite integrate și componente, inclusiv un amplificator complet diferențial (FDA), un filtru trece-jos (LPF) de ordinul întâi (^1st), o referință de tensiune și un convertor analog-digital (ADC) de mare viteză și de înaltă rezoluție. Elementele parazite capacitive și rezistive se află în interiorul și în jurul amplificatorului de acționare al ADC (FDA), filtrului de intrare al ADC și ADC-ului.

Eliminarea, reducerea sau atenuarea efectelor acestor elemente parazite reprezintă o provocare. Aceasta necesită un grad ridicat de îndemânare și poate necesita multe cicluri de proiectare a circuitelor și iterații de dispunere a plăcii de circuite imprimate, compromițând orarele de proiectare și bugetele. Este nevoie de o soluție completă și mai integrată care să rezolve multe dintre aceste probleme de proiectare.

Acest articol va descrie un circuit discret de achiziție de date și problemele de dispunere aferente, iar apoi va prezenta un modul integrat care conține un ADC cu registru de aproximare succesivă (SAR) de înaltă rezoluție și mare viteză cu un FDA frontal. Articolul arată cum modulul complet ADAQ23875 de la Analog Devices și placa de dezvoltare asociată a acestuia depășesc dificultățile de proiectare de mare viteză prin simplificarea și accelerarea procesului de proiectare, obținând în același timp rezultate de conversie de mare viteză și de înaltă rezoluție necesare.

Calea semnalului de achiziție de date de mare viteză

ADC-urile de înaltă performanță utilizează intrări diferențiale pentru îmbunătățirea performanței generale prin echilibrarea semnalelor de intrare și respingerea zgomotului în mod comun și a interferențelor. Un driver analogic ADC atinge performanțe optime atunci când intrările către driverul analogic ADC și ADC sunt complet diferențiale (Figura 1). Utilizarea unei interfețe seriale de semnalizare diferențială de joasă tensiune (LVDS) (dreapta) permite sistemului să funcționeze la viteze extrem de mari pentru a deservi aplicațiile de achiziție de date, HiL și analizoarele de putere.

Figura 1: un sistem de achiziție de date de înaltă frecvență cu un FDA frontal, un filtru analogic de ordinul 1 și un SAR-ADC cu intrare diferențială cu o interfață serială LVDS de mare viteză. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

Configurația din Figura 1 are multe funcții esențiale, inclusiv scalarea amplitudinii, conversia de la o componentă cu un singur capăt la diferențial, stocarea temporară, ajustarea decalării în mod comun și filtrarea.

Tehnologia driverului FDA

Funcționarea driverului ADC cu feedback de tensiune FDA este asemănătoare cu cea a unui amplificator tradițional, cu excepția a două diferențe. În primul rând, FDA are o ieșire diferențială cu un terminal de ieșire negativ suplimentar (V_ON). În al doilea rând, acesta are un terminal de intrare adăugat (V_OCM) care stabilește tensiunea de mod comun pentru ieșire (Figura 2).

Figura 2: FDA are două intrări cu bucle de feedback și controlul tensiunii (V_OCM) pentru tensiunea de mod comun pentru ieșire. Această configurație creează o intrare diferențială independentă (V_{IN, dm}) și tensiuni de ieșire diferențiale (V_{OUT, dm}). (Sursă imagine: Analog Devices)

La nivel intern, FDA are trei amplificatoare: două la intrare și al treilea care acționează ca etapă de ieșire. Feedback-ul negativ (R_F1, R_F2) și amplificarea ridicată în buclă deschisă a celor două amplificatoare interne de intrare dictează comportamentul terminalelor de intrare, VA+ și VA-, astfel încât să fie, practic, egale. În loc de o ieșire cu un singur capăt, FDA produce o ieșire diferențială echilibrată între V_OP și V_ON, cu o tensiune de mod comun pentru V_OCM.

Semnalele de intrare diferențiale (V_IP și V_IN) sunt egale în amplitudine și opuse în fază, în jurul unei tensiuni de referință de mod comun (V_{IN, cm}) cu un semnal de intrare echilibrat. Ecuațiile 1 și 2 arată cum se calculează tensiunea de intrare în mod diferențial (V_IN,dm) și tensiunea de intrare în mod comun (V_{IN, cm}).

 Ecuația 1

 Ecuația 2

Ecuațiile 3 și 4 oferă definițiile modului diferențial și ale modului comun de ieșire.

 Ecuația 3

 Ecuația 4

Observați adăugarea V_OCM în Ecuația 4.

Ca și în cazul circuitelor de amplificare tipice, amplificarea sistemului FDA depinde de valorile R_Gx și R_Fx. Ecuațiile 5 și 6 definesc cei doi factori de feedback la intrare, β₁ și β₂, pentru FDA.

 Ecuația 5

 Ecuația 6

Atunci când β₁ este egal cu β₂, Ecuația 7 oferă amplificarea ideală în buclă închisă pentru FDA.

 Ecuația 7

V_{OUT, dm} oferă o perspectivă asupra performanței neconcordanțelor rezistive. Ecuația generală în buclă închisă pentru V_{OUT, dm}include V_IP, V_IN, β₁, β₂ și V_OCM. Ecuația 8 prezintă formula pentru V_{OUT, dm} cu amplificarea de tensiune în buclă deschisă a amplificatorului prezentat ca A(s).

 Ecuația 8

Când β₁ ≠ β₂, eroarea tensiunii de ieșire diferențiale (V_{OUT, dm}) depinde în primul rând de V_OCM. Acest rezultat nedorit produce un decalaj și un exces de zgomot în ieșirea diferențială. Dacă β₁ = β₂ ≡ β, Ecuația 8 devine Ecuația 9.

 Ecuația 9

Cele două componente ale echilibrului de ieșire sunt amplitudinea și faza. Echilibrul amplitudinii măsoară dacă cele două amplitudini de ieșire se potrivesc; în mod ideal, acestea se potrivesc exact. Echilibrul de fază măsoară apropierea dintre diferențele de fază dintre cele două ieșiri, idealul fiind egal cu 180°.

Considerentele privind stabilitatea FDA sunt aceleași ca și în cazul amplificatoarelor operaționale standard. Specificația cheie este marja de fază. Fișele tehnice ale produselor oferă marja de fază a unei anumite configurații de amplificator; cu toate acestea, efectele parazite ale configurației plăcii de circuite imprimate pot reduce stabilitatea în mod considerabil. În cazul unui amplificator cu feedback de tensiune negativă, este destul de simplu: stabilitatea depinde de amplificarea în buclă, A(s) × β, de semnal și de magnitudine. FDA, în schimb, are doi factori de feedback. Ecuațiile 8 și 9 au amplificarea buclei la numitori. Ecuația 10 descrie amplificarea buclei pentru cazul factorului de feedback nepotrivit (β1 ≠ β2).

 Ecuația 10

Atenuarea tuturor erorilor de mai sus depinde de procesul plictisitor și costisitor de potrivire cu rezistențele discrete R_G1, R_G2, R_F1 și R_F2.

Performanțele combinate ale FDA și ADC

Combinația dintre FDA, rezistențele discrete, filtrul de ordinul 1 și ADC spune povestea despre raportul semnal-zgomot (SNR), distorsiunea armonică totală (THD), raportul semnal-zgomot și distorsiune (SINAD) și domeniul dinamic fără răspunsuri false (SFDR) care se adaugă la caracteristicile de performanță ale FDA în precizia și rezoluția circuitului la nivel general. Specificațiile combinate includ SNR, THD, SINAD și SFDR. FDA are numeroase specificații care afectează specificații de frecvență, cum ar fi lățimea de bandă, zgomotul tensiunii de ieșire, distorsiunea, stabilitatea și timpul de stabilire, toate acestea afectând performanța ADC-ului. ADC-ul are propriul set de specificații. Provocarea semnificativă constă în selectarea FDA-ului adecvat, astfel încât să se potrivească cu ADC.

Dispunerea plăcii

Dispunerea plăcii de circuite imprimate este ultimul pas în procesul de proiectare. Din nefericire, dispunerea poate fi un pas de proiectare trecut cu vederea, ceea ce duce la un design slab al plăcii, care poate compromite sau face circuitul inutilizabil. Acest circuit discret complet are trei circuite integrate, șase rezistențe și mai multe condensatoare de decuplare (Figura 3).

Figura 3: FDA și SAR-ADC cu LPF de ordinul 1 cu condensatoare de decuplare a sursei de alimentare. (Sursă imagine: Analog Devices)

În Figura 3, elementele parazite care subminează performanțele circuitelor de mare viteză sunt capacitatea și inductanța parazită ale plăcii de circuite imprimate. Plăcuțele componentelor, traseele, căile și masa în paralel cu planurile de alimentare sunt vinovații. Aceste capacități și inductanțe sunt deosebit de periculoase în special la nodurile de adunare ale amplificatorului, unde introduc poli și zerouri în răspunsul de feedback, provocând vârfuri și instabilitate.

Soluție integrată

Convertoarele SAR pot oferi un FDA, componente pasive esențiale, filtre de ordinul 1, o referință de tensiune și condensatoare de decuplare pentru a spori rezoluția efectivă. De exemplu, ADAQ23875 de la Analog Devices este un modul de achiziție de date pe 16 biți, 15 MSPS cu toate aceste elemente (Figura 4). Drept urmare, acesta reduce ciclul de dezvoltare a sistemelor de măsurare de precizie prin transferul sarcinii de proiectare a selecției, optimizării și dispunerii componentelor de la proiectant la circuitul integrat.

Figura 4: ADAQ23875 simplifică proiectarea ADC-urilor de mare viteză prin combinarea unui FDA, a unui filtru de ordinul 1, a unui SAR-ADC într-un singur modul susținut de rezistențe de amplificare ajustate cu laser în jurul FDA, precum și de condensatoare de decuplare integrate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Componentele rezistive pasive integrate au caracteristici superioare de adaptare și abatere pentru a minimiza sursele de eroare dependente de elementele parazite și oferă performanțe optimizate, pentru a asigura o potrivire strânsă între β₁ și β₂. Potrivirea acestor amplificări de buclă ajută la crearea specificațiilor de decalaj de ±1 milivolt (mV) și de zgomot RMS total de 91,6 microvolți (µV_RMS).

Referința de tensiune pentru bandă de 2,048 volți are zgomot redus și abatere redusă (20 de părți pe milion pe grad Celsius (ppm/°C)) pentru a susține FDA și sistemul ADC pe 16 biți. Împreună cu FDA, aceste specificații se traduc printr-o precizie SAR-ADC de 90 dB SNR și o abatere a amplificării de ±1 ppm/°C. Pinul V_OCM al FDA utilizează cei 2,048 volți ai referinței pentru a furniza tensiunea de mod comun pentru ieșire.

Un circuit tampon intern de referință amplifică referința de 2,048 volți cu doi pentru a crea 4,096 volți pentru tensiunea de referință ADC. Diferența de tensiune dintre referința ADC-ului și GND determină domeniul de intrare la scară completă pentru SAR-ADC ADAQ23875. De asemenea, ADAQ23875 are un condensator de decuplare de 10 microfarazi (μF) integrat între circuitul tampon de referință și GND pentru a absorbi vârfurile de sarcină ale conversiei de referință SAR-ADC și pentru a atenua limitările legate de proiectarea discretă.

După cum arată Figura 4, tensiunea de mod comun pentru intrare a FDA este independentă de tensiunea de mod comun pentru ieșire a FDA. În exemplele de la unu la trei, tensiunile de alimentare sunt:

VS+ = 7 volți (tensiune de alimentare pozitivă FDA)

VS- = -2 volți (tensiune de alimentare negativă FDA)

VDD = +5 volți (tensiune de alimentare ADC)

VIO = 2,5 volți (sursă de alimentare a ieșirii analogice și digitale)

Exemplul 1 prezintă un domeniu de tensiune de intrare de ± 1,024 volți cu o tensiune de intrare de mod comun de -1 volți. FDA aplică o amplificare de 2 volți/volți la aceste semnale, iar nivelul FDA modifică tensiunea de ieșire cu valoarea de la V_CMO sau 2,048 volți. Procesul prezintă un interval de semnal de ±2,048 volți cu o tensiune de mod comun de la V_CMO de 2,48 volți la ieșirea FDA. Frecvența de colț a filtrului de ordinul 1 este de 1/(2pR x C) hertzi (Hz) sau –78 megahertzi (MHz). Intervalul de intrare a semnalului la ADC este de ±2,048 volți, cu o tensiune de mod comun de +2,048 volți.

ADAQ23875 are o interfață digitală LVDS cu moduri de ieșire cu o bandă sau două benzi, permițând utilizatorului să optimizeze rata de date a interfeței fiecărei aplicații. Alimentarea digitală a interfeței este VIO.

ADAQ23875 are patru surse de alimentare: o sursă de alimentare internă a nucleului ADC (VDD), o sursă de alimentare a interfeței de intrare/ieșire digitală (VIO), o sursă pozitivă FDA (VS+) și o sursă negativă (VS-). Pentru a ușura problemele de dispunere a plăcii de circuite imprimate, toți pinii de alimentare au condensatoare de decuplare integrate de 0,1 mF sau 0,2 mF. Este necesar să amplasați condensatoare ceramice de decuplare de calitate superioară de 2,2 μF (0402, X5R) pe placa de circuite imprimate la ieșirea regulatoarelor LDO. Aceste regulatoare generează șinele de alimentare ale modulului μModule (VDD, VIO, VS+ și VS-) pentru a minimiza susceptibilitatea la interferențe electromagnetice (EMI) și pentru a reduce efectul asupra fluctuațiilor liniei de alimentare. Toate celelalte condensatoare de decuplare necesare se află în ADAQ23875, îmbunătățind raportul global de respingere a alimentării (PSRR) al subsistemului, economisind spațiu suplimentar pe placă și costuri. Pentru a utiliza referința internă și circuitul tampon intern de referință, decuplați pinul REFIN la GND cu un condensator ceramic de 0,1 μF.

Modulul ADAQ23875 elimină problemele legate de selectarea FDA-ului și a rețelei rezistive adecvate pentru ADC, asigurând în același timp performanțe ridicate și specificații stricte pentru SNR, THD, SINAD și SFDR (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB și, respectiv, 114,3 dB) (Figura 5). De obicei, sarcina de colectare a specificațiilor sistemului revine proiectantului. Abordarea de sistem a ADAQ23875 ajută proiectanții să atingă aceste specificații în mod mai eficient.

Figura 5: modulul ADAQ23875 creează specificații SNR, THD, SINAD, SFDR care trec prin FDA integrat, filtrul de ordinul 1 și SAR-ADC. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 5 prezintă rezultatele testelor SNR, THD, SINAD și SFDR pentru un semnal de intrare diferențial de 1 kHz în ADAQ23875. Pentru o aplicație specifică, placa EVAL-ADAQ23875FMCZ pentru ADAQ23875 are un software care ajută la evaluarea dispozitivului, inclusiv programarea dispozitivului, capturarea formei de undă, a histogramei și a FFT. Proiectanții pot conecta placa de evaluare la platforma de demonstrație a sistemului EVAL-SDP-CH1Z de la ADI pentru alimentare și pentru a permite controlul plăcii de evaluare de către un PC prin intermediul portului USB al SDP-CH1Z (Figura 6).

Figura 6: placa de evaluare ADAQ23875FMCZ (stânga) conectată la placa platformei de demonstrație a sistemului (EVAL-SDP-CH1Z) (dreapta), ce permite controlul plăcii de evaluare prin intermediul portului USB al unui PC. (Sursă imagine: Analog Devices)

Software-ul plăcii de evaluare, ACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21] și ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [Feb 08 21], permite utilizatorului să configureze valoarea de supraeșantionare a fiecărui canal, intervalul de intrare, numărul de eșantioane și selecția canalului activ. În plus, acest software permite și salvarea și deschiderea fișierelor cu date de testare.

Concluzie

Pentru a depăși provocările legate de proiectarea analogică de mare viteză și pentru a oferi cele mai bune performanțe generale de achiziție de date, proiectanții pot apela la modulul ADAQ23875. Acesta este un sistem complet de conversie de mare viteză care include un FDA, un filtru trece-jos de ordinul 1, un SAR-ADC și o serie de condensatoare de decuplare care amplifică semnalele de excitație și furnizează semnalele de acționare corespunzătoare, precum și filtrarea și realimentarea semnalelor secundare. Un modul extrem de integrat, modulul sistemului de achiziție de date ADAQ23875 eliberează proiectul de „magia neagră” analogică, cu o soluție completă FDA la SAR-ADC pentru achiziția de date de mare viteză, hardware în buclă (HiL) și analizoare de putere.