Gebruik modules met geïntegreerde versterkers om de "zwarte magie" uit het ontwerp van hogesnelheids-ADC's te halen

Ontwerpers van systemen zoals data-acquisitie, hardware in the loop (HiL), en vermogensanalyzers hebben een analoge signaalomzetter nodig die een hoge resolutie en hoge nauwkeurigheid kan bereiken bij zeer hoge sample-snelheden, vaak tot 15 megasamples per seconde (MSPS). Analoge ontwerpen met hoge snelheid kunnen voor veel ontwerpers echter "zwarte magie" lijken, vooral wanneer zij geconfronteerd worden met een reeks verborgen parasieten die de signaalintegriteit beïnvloeden.

Typische ontwerpen zijn bijvoorbeeld discreet en bevatten verscheidene IC's en componenten, waaronder een volledig gedifferentieerde versterker (FDA), een laagdoorlaatfilter (LPF) van de eerste (^1e) orde, een spanningsreferentie en een hoge-snelheid analoog/digitaal-omzetter (ADC) met hoge resolutie. De capacitieve en resistieve parasieten bevinden zich in en rond de ADC-driver versterker (de FDA), het ADC-ingangsfilter, en de ADC.

Het elimineren, verminderen of afzwakken van de effecten van deze parasieten is een uitdaging. Het vereist een hoge graad van bekwaamheid en kan vele cycli van circuitontwerp en iteraties van printplaatlay-out vereisen, waardoor ontwerpschema's en budgetten in het gedrang komen. Wat nodig is, is een meer complete en geïntegreerde oplossing die veel van deze ontwerpproblemen oplost.

In dit artikel wordt een discrete data-acquisitie schakeling en daarmee samenhangende layout-kwesties beschreven, en vervolgens wordt een geïntegreerde module geïntroduceerd die een hoge-resolutie, hoge-snelheid successive approximation register (SAR) ADC met een front-end FDA bevat. Het artikel laat zien hoe Analog Devices' ADAQ23875 complete module en het bijbehorende ontwikkelbord de hoofdbrekens bij het ontwerpen van hoge snelheden overwint door het ontwerpproces te vereenvoudigen en te versnellen, terwijl toch de vereiste conversieresultaten met hoge resolutie en hoge snelheid worden bereikt.

Snelle data-acquisitiesignaalweg

ADC's met hoge prestaties maken gebruik van differentiële ingangen om de algemene prestaties te verbeteren door de ingangssignalen in evenwicht te brengen en common-mode ruis en interferentie te voorkomen. Een analoge ADC-driver levert optimale prestaties wanneer de ingangen naar de analoge ADC-driver en de ADC volledig differentieel zijn (Afbeelding 1). Door het gebruik van een seriële interface met laag voltage differentiële signalering (LVDS) (rechts) kan het systeem op extreem hoge snelheden werken voor data-acquisitie, HiL en vermogensanalyzer-toepassingen.

Afbeelding 1: Een hoogfrequent data-acquisitiesysteem met een front-end FDA, een analoog filter^{van de eerste} orde en een SAR-ADC met differentiële input en een snelle seriële LVDS-interface. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De configuratie in Afbeelding 1 vervult vele essentiële functies, waaronder amplitudeschaling, conversie van één uiteinde naar differentieel, buffering, aanpassing van de common-mode offset, en filtering.

FDA-bestuurderstechnologie

De werking van de FDA voltage feedback ADC-driver is als die van een traditionele versterker, op twee verschillen na. Ten eerste heeft de FDA een differentiële uitgang met een extra negatieve uitgangsklem (V_ON). Ten tweede heeft hij een toegevoegde ingangsklem (V_OCM) die de uitgangsspanning voor de common-mode instelt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De FDA heeft twee ingangen met terugkoppelingslussen en spanningsregeling (V_OCM) van de common-mode-uitgangsspanning. Deze configuratie creëert een onafhankelijke differentiële ingangsspanning (V_{IN, dm}) en differentiële uitgangsspanning (V_{OUT, dm}). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Intern heeft de FDA drie versterkers: twee aan de ingang en de derde die als eindtrap fungeert. De negatieve terugkoppeling (R_F1,R_F2) en de hoge open-loop versterking van twee interne ingangsversterkers dicteren dat het gedrag van de ingangsklemmen, VA+ en VA-, vrijwel gelijk is. In plaats van een single-ended uitgang produceert de FDA een gebalanceerde differentiële uitgang tussen V_OP en V_ON, met een common-mode spanning van V_OCM.

De differentiële ingangssignalen (V_IP en V_IN) zijn gelijk in amplitude en tegengesteld in fase rond een common-mode referentiespanning (V_{IN, cm}) met een gebalanceerd ingangssignaal. Vergelijkingen 1 en 2 laten zien hoe de differentiële-mode-ingangsspanning (V_{IN, dm}) en de gemeenschappelijke-mode-ingangsspanning (V_{IN, cm}) moeten worden berekend.

Vergelijking 1

Vergelijking 2

Vergelijkingen 3 en 4 geven de definities van differentiële en common-mode uitgang.

Vergelijking 3

Vergelijking 4

Let op de toevoeging van de V_OCM in vergelijking 4.

Zoals bij typische versterkerschakelingen is de versterking van het FDA-systeem afhankelijk van de R_Gx- enR_Fx-waarden. Vergelijkingen 5 en 6 definiëren de twee inputfeedbackfactoren, β₁ en β₂, voor de FDA.

 Vergelijking 5

 Vergelijking 6

Wanneer β₁ gelijk is aan β₂, geeft vergelijking 7 de ideale gesloten-lus versterking voor de FDA.

 Vergelijking 7

V_{OUT, dm} geeft inzicht in de prestaties van resistieve mismatches. De algemene gesloten-lusvergelijking voor V_{OUT, dm} omvatV_IP, V_IN, β₁, β₂, en V_OCM. Vergelijking 8 geeft de formule voor V_{OUT, dm} met de open-loop spanningsversterking van de versterker weergegeven als A(s).

Vergelijking 8

Wanneer β₁ ≠ β₂, hangt de differentiële uitgangsspanningsfout (V_{OUT, dm}) hoofdzakelijk af van V_OCM. Dit ongewenste resultaat veroorzaakt een offset en een overmaat aan ruis in de differentiële uitgang. Indien β₁ = β₂ ≡ β, wordt vergelijking 8 vergelijking 9.

Vergelijking 9

De twee componenten van de uitgangsbalans zijn amplitude en fase. Amplitudebalans meet of de twee uitgangsamplituden met elkaar overeenkomen; in het ideale geval komen ze precies overeen. De fasebalans meet hoe dicht de faseverschillen tussen de twee uitgangen bij elkaar liggen, waarbij het ideaal gelijk is aan 180°.

De overwegingen betreffende de FDA-stabiliteit zijn dezelfde als voor standaard op-amps. De belangrijkste specificatie is de fasemarge. Productinformatiebladen geven de fasemarge van een bepaalde versterkerconfiguratie; de parasitaire effecten van de printplaatlayout kunnen de stabiliteit echter aanzienlijk verminderen. In het geval van een negatieve spanningsgekoppelde versterker is het vrij eenvoudig: de stabiliteit hangt af van de lusversterking, A(s) × β, het teken en de magnitude. De FDA, daarentegen, heeft twee terugkoppelingsfactoren. Vergelijkingen 8 en 9 hebben de lusversterking in hun noemers. Vergelijking 10 beschrijft de lusversterking voor het geval van een niet-afgekoppelde feedbackfactor (β1 ≠ β2).

Vergelijking 10

De beperking van alle bovengenoemde fouten hangt af van het vervelende en dure aanpassingsproces met de discrete weerstanden R_G1, R_G2,R_F1, enR_F2.

Gecombineerde prestaties van FDA en ADC

De combinatie van FDA, discrete weerstanden,^1e orde filter en ADC vertelt het verhaal over de signaal-ruisverhouding (SNR), totale harmonische vervorming (THD), signaal-ruisverhouding en vervorming (SINAD), en spurious-vrij dynamisch bereik (SFDR) die samen met de prestatiekenmerken van de FDA de algehele nauwkeurigheid en resolutie van het circuit bepalen. De gecombineerde specificaties omvatten de SNR, THD, SINAD en SFDR. De FDA heeft talrijke specificaties die van invloed zijn op deze frequentiespecificaties, zoals bandbreedte, uitgangsspanningsruis, vervorming, stabiliteit en bezinkingstijd, die alle van invloed zijn op de prestaties van de ADC. De ADC heeft zijn eigen set specificaties. De grote uitdaging bestaat erin de juiste FDA te kiezen die bij de ADC past.

Bordlay-out

De layout van een printplaat is de laatste stap in het ontwerpproces. Helaas kan lay-out een over het hoofd geziene ontwerpstap zijn, wat kan resulteren in een slecht printplaatontwerp dat de schakeling in gevaar kan brengen of onbruikbaar kan maken. Deze complete discrete schakeling heeft drie geïntegreerde schakelingen, zes weerstanden en meervoudige ontkoppelingscondensators (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: FDA en SAR-ADC met LPF van de 1^e orde met ontkoppelingscondensators voor de voeding. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 3 zijn de parasitaire elementen die de prestaties van hogesnelheidsschakelingen ondermijnen, de parasitaire capaciteit en inductie van de printplaat. Componentvoetjes, sporen, vias, en aarde parallel met vermogensvlakken zijn de boosdoeners. Deze capaciteiten en inducties zijn vooral gevaarlijk op de somknopen van de versterker, waar zij polen en nullen in de terugkoppeling introduceren, hetgeen pieken en instabiliteit veroorzaakt.

Geïntegreerde oplossing

SAR-converters kunnen een FDA, cruciale passieve componenten,1^e orde filters, een spanningsreferentie en ontkoppelingscondensatoren bieden om de effectieve resolutie te verhogen. De ADAQ23875 van Analog Devices bijvoorbeeld is een 16-bit, 15 MSPS data-acquisitiemodule met al deze elementen (Afbeelding 4). Als zodanig verkort het de ontwikkelingscyclus van precisiemeetsystemen door de ontwerpbelasting van componentenselectie, optimalisatie en layout over te brengen van de ontwerper naar de geïntegreerde schakeling.

Afbeelding 4: De ADAQ23875 vereenvoudigt het ontwerp van snelle ADC's door een FDA,1^e orde filter en SAR-ADC op één module te combineren, ondersteund door laser-getrimde versterkingsweerstanden rond de FDA, alsmede ontkoppelingscondensatoren op de chip. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De passieve weerstandscomponenten op de chip bezitten superieure aanpassings- en driftkarakteristieken om parasitaire afhankelijke foutenbronnen tot een minimum te beperken en bieden geoptimaliseerde prestaties om de nauwe afstemming van β₁ en β₂ te verzekeren. De afstemming van deze luswinsten helpt bij het creëren van de ± 1 millivolt (mV) offset van de module en 91,6 microvolt wortel gemiddelde kwadraat (µV_RMS) totale RMS-ruisspecificaties.

De bandgap 2,048-volt spanningsreferentie heeft een lage ruis en een lage drift (20 deeltjes per miljoen per graad Celsius (ppm/°C)) ter ondersteuning van het FDA en 16-bit ADC systeem. In combinatie met de FDA resulteren deze specificaties in een SAR-ADC 90 dB SNR nauwkeurigheid en ±1 ppm/°C versterkingsdrift. De V_OCM-pen van de FDA gebruikt de 2,048 volt van de referentie om de common-mode uitgangsspanning te leveren.

Een interne referentiebuffer verhoogt de referentie van 2,048 volt met twee, zodat 4,096 volt ontstaat voor de ADC-referentiespanning. Het spanningsverschil tussen de referentie van de ADC en GND bepaalt het volle-schaal ingangsbereik van de SAR-ADC van de ADAQ23875. Ook heeft de ADAQ23875 een ingebouwde ontkoppelingscondensator van 10 microfarad (μF) tussen referentiebuffer en GND om SAR-ADC referentieconversieladingspieken te absorberen en de beperkingen van de discrete ontwerplayout te verlichten.

Zoals uit Afbeelding 4 blijkt, is de ingangs common-mode spanning van de FDA onafhankelijk van de uitgangs common-mode spanning van de FDA. In de voorbeelden één tot en met drie zijn de voedingsspanningen:

VS+ = 7 volt (positieve voedingsspanning FDA)

VS- = -2 volt (negatieve voedingsspanning FDA)

VDD = +5 volt (ADC-voedingsspanning)

VIO = 2,5 volt (analoge en digitale uitgangsvoeding)

Voorbeeld 1 toont een ingangsspanningsbereik van ±1,024 volt met een ingangs common-mode spanning van -1 volt. De FDA past een versterking van 2 volt toe op deze signalen, en het FDA-niveau verschuift de uitgangsspanning met de waarde bij V_CMO of 2,048 volt. Het proces heeft een signaalbereik van ±2,048 volt met een common-mode spanning van V_CMO van 2,48 volt aan de uitgang van de FDA. De hoekfrequentie van het 1^e orde filter is 1/(2pR x C) hertz (Hz) of ~78 megahertz (MHz). Het ingangssignaalbereik van de ADC is ±2,048 volt, met een common-mode spanning van +2,048 volt.

De ADAQ23875 heeft een digitale LVDS-interface met one-lane of two-lane uitgangsmodi, zodat de gebruiker de interfacedatasnelheid van elke toepassing kan optimaliseren. De digitale voeding voor de interface is VIO.

De ADAQ23875 heeft vier voedingen: een interne ADC-kernvoeding (VDD), digitale ingang/uitgang-interface-voeding (VIO), positieve FDA-voeding (VS+), en negatieve voeding (VS-). Om problemen met de printplaatlay-out te verhelpen, zijn alle voedingspinnen voorzien van 0,1 mF of 0,2 mF ontkoppelingscondensatoren op de chip. Het is noodzakelijk om keramische ontkoppelcondensatoren van goede kwaliteit van 2,2 μF (0402, X5R) op de printplaat te plaatsen aan de uitgang van de LDO-regelaars. Deze regelaars genereren de voedingsrails van de module (VDD, VIO, VS+ en VS-) om de gevoeligheid voor elektromagnetische interferentie (EMI) te minimaliseren en het effect op glitches in de voedingslijn te verminderen. Alle andere benodigde ontkoppelingscondensatoren bevinden zich in de ADAQ23875, waardoor de totale PSRR (power supply rejection ratio) van het subsysteem wordt verbeterd en extra bordruimte en kosten worden bespaard. Om de interne referentie en interne referentiebuffer te gebruiken, ontkoppelt u de REFIN-pen naar GND met een keramische condensator van 0,1 μF.

De ADAQ23875-module elimineert de hoofdbrekens van het selecteren van het juiste FDA- en resistieve netwerk voor de ADC, terwijl toch hoge prestaties en strakke specificaties voor SNR, THD, SINAD en SFDR (respectievelijk 89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB en 114,3 dB) worden gegarandeerd (Afbeelding 5). Gewoonlijk is het aan de ontwerper om de systeemspecificaties te verzamelen en uit te voeren. De systeembenadering van de ADAQ23875 helpt ontwerpers deze specificaties efficiënter te realiseren.

Afbeelding 5: De ADAQ23875-module creëert SNR-, THD-, SINAD- en SFDR-specificaties die door de on-chip FDA, het 1^e orde filter en de SAR-ADC gaan. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 5 toont de SNR-, THD-, SINAD- en SFDR-testresultaten voor een differentieel, 1 kHz ingangssignaal in de ADAQ23875. Voor een specifieke toepassing heeft de EVAL-ADAQ23875FMCZ-kaart voor de ADAQ23875 software om te helpen bij apparaatevaluaties, waaronder apparaatprogrammering, golfvorm-, histogram- en FFT-opname. Ontwerpers kunnen het evaluatiebord aansluiten op ADI's EVAL-SDP-CH1Z systeemdemonstratieplatform voor stroomvoorziening en om het evaluatiebord door een PC te laten bedienen via de USB-poort van de SDP-CH1Z (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het ADAQ23875FMCZ-evaluatiebord (links) aangesloten op het systeemdemonstratieplatform (EVAL-SDP-CH1Z) bord (rechts), waardoor controle van het evaluatiebord via de USB-poort van een PC mogelijk is. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De software van het evaluatiebord, ACE plugin voor ADAQ23875-bord 1.2021.8300 [18 feb 21] en ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [08 feb 21], stelt de gebruiker in staat de oversample-waarde van elk kanaal, het ingangsbereik, het aantal monsters en de actieve kanaalselectie te configureren. Bovendien maakt deze software het ook mogelijk om testgegevensbestanden op te slaan en te openen.

Conclusie

Om de uitdagingen van hoge-snelheid analoge ontwerpen te overwinnen en de beste algehele data-acquisitie prestaties te leveren, kunnen ontwerpers zich wenden tot de ADAQ23875-module. Dit is een compleet hogesnelheidsconversiesysteem dat een FDA,een laagdoorlaatfiltervan de 1^e orde, een SAR-ADC en een reeks ontkoppelingscondensators omvat die de bekrachtigingssignalen versterken en de juiste aandrijfsignalen leveren, alsmede de filtering en terugkoppeling van secundaire signalen. De ADAQ23875 data-acquisitiesysteemmodule, een zeer geïntegreerde module, bevrijdt het ontwerp van analoge "zwarte magie" met een complete FDA tot SAR-ADC oplossing voor hoge-snelheid data-acquisitie, hardware in the loop (HiL), en vermogensanalyzers.