Verwendung von Modulen mit integrierten Verstärkern zur Optimierung des ADC-Designs bei hohen Geschwindigkeiten

Von Bonnie Baker

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Entwickler von Systemen wie Datenerfassung, Hardware in the Loop (HiL) und Leistungsanalysatoren benötigen eine analoge Signalwandlerkette, die eine hohe Auflösung und hohe Genauigkeit bei sehr hohen Abtastraten, oft bis zu 15 Megasamples pro Sekunde (MS/s), erreichen kann. Allerdings können Highspeed-Analogdesigns vielen Entwicklern wie „schwarze Magie“ vorkommen, insbesondere wenn sie mit einer Reihe von versteckten Parasitika konfrontiert werden, die die Signalintegrität beeinflussen.

Typische Designs sind beispielsweise diskret und enthalten mehrere ICs und Komponenten, darunter einen Volldifferenzverstärker (FDA), einen Tiefpassfilter (LPF) erster Ordnung, eine Spannungsreferenz und einen schnellen, hochauflösenden Analog/Digital-Wandler (ADC). Die kapazitiven und resistiven Parasitika befinden sich im und um den ADC-Treiberverstärker (den FDA), den ADC-Eingangsfilter und den ADC.

Die Beseitigung, Reduzierung oder Abschwächung der Auswirkungen dieser Parasiten ist eine Herausforderung. Es erfordert ein hohes Maß an Fachkenntnis und kann viele Schaltkreis-Entwicklungszyklen und Leiterplatten-Layout-Iterationen erfordern, was Entwicklungszeitpläne und -budgets gefährdet. Was wir brauchen, ist eine umfassendere und integrierte Lösung, die viele dieser Designprobleme behebt.

In diesem Artikel werden eine diskrete Datenerfassungsschaltung und die damit verbundenen Layout-Probleme beschrieben. Anschließend wird ein integriertes Modul vorgestellt, das einen hochauflösenden, schnellen SAR-ADC (Successive Approximation Register) mit einem Front-End-FDA enthält. Der Artikel zeigt, wie das Komplettmodul ADAQ23875 von Analog Devices und das dazugehörige Entwicklungsboard die Kopfschmerzen des Highspeed-Designs überwindet, indem es den Entwicklungsprozess vereinfacht und beschleunigt und dennoch die erforderlichen hochauflösenden Highspeed-Wandlungsergebnisse erzielt.

Signalweg der Highspeed-Datenerfassung

Leistungsstarke ADCs verwenden Differenzeingänge, um die Gesamtleistung zu verbessern, indem sie durch die symmetrischen Eingangssignale Gleichtaktrauschen und Interferenzen unterdrücken. Ein analoger ADC-Treiber erreicht eine optimale Leistung, wenn die Eingänge des analogen ADC-Treibers und des ADCs vollständig differenziell sind (Abbildung 1). Durch die Verwendung einer seriellen LVDS-Schnittstelle (Low Voltage Differential Signaling) (rechts) kann das System mit extrem hohen Geschwindigkeiten betrieben werden, um Datenerfassungs-, HiL- und Leistungsanalysator-Anwendungen zu bedienen.

Schaltbild eines Hochfrequenz-Datenerfassungssystems mit einem Front-End FDAAbbildung 1: Ein Hochfrequenz-Datenerfassungssystem mit einem Front-End-FDA, einem Analogfilter 1. Ordnung und einem SAR-ADC mit Differenzeingang und einer seriellen Highspeed-LVDS-Schnittstelle. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Die Konfiguration in Abbildung 1 führt viele wesentliche Funktionen aus, einschließlich Amplitudenskalierung, Wandlung von referenzbezogenen zu Differenzeingängen, Pufferung, Gleichtakt-Offset-Abgleich und Filterung.

FDA-Treiber-Technologie

Der Betrieb des FDA-spannungsrückgekoppelten ADC-Treibers ist wie bei einem herkömmlichen Verstärker, mit Ausnahme von zwei Unterschieden. Erstens hat der FDA einen Differenzausgang mit einer zusätzlichen negativen Ausgangsklemme (VON). Zweitens hat er eine zusätzliche Eingangsklemme (VOCM), die die Ausgangsgleichspannung einstellt (Abbildung 2).

Schaltbild: Der FDA hat zwei Eingänge mit Rückkopplungsschleifen und SpannungssteuerungAbbildung 2: Der FDA hat zwei Eingänge mit Rückkopplungsschleifen und Spannungsregelung (VOCM) der Ausgangsgleichspannung. Diese Konfiguration erzeugt unabhängige Eingangsdifferenzspannungen (VIN, dm) und Ausgangsdifferenzspannungen (VOUT, dm). (Bildquelle: Analog Devices)

Intern verfügt der FDA über drei Verstärker: zwei am Eingang und den dritten, der als Ausgangsstufe dient. Durch die Gegenkopplung (RF1, RF2) und die hohe Verstärkung zweier interner Eingangsverstärker ist das Verhalten der Eingangsklemmen, VA+ und VA-, nahezu gleich. Anstelle eines referenzbezogenen Ausgangs erzeugt der FDA einen symmetrischen Differenzausgang zwischen VOP und VON, mit einer Gleichtaktspannung von VOCM.

Die Eingangsdifferenzsignale (VIP und VIN) sind gleich in der Amplitude und entgegengesetzt in der Phase um eine Referenzgleichspannung (VIN, cm) mit einem symmetrischen Eingangssignal. Die Gleichungen 1 und 2 zeigen, wie die Eingangsdifferenzspannung (VIN, dm) und die Eingangsgleichspannung (VIN, cm) berechnet werden.

Gleichung 1 Gleichung 1

Gleichung 2 Gleichung 2

Die Gleichungen 3 und 4 liefern die Definitionen für Ausgangsdifferenzspannung und Ausgangsgleichspannung.

Gleichung 3 Gleichung 3

Gleichung 4 Gleichung 4

Beachten Sie den Zusatz von VOCM in Gleichung 4.

Wie bei typischen Verstärkerschaltungen hängt die Verstärkung des FDA-Systems von den RGx- und RFx-Werten ab. Die Gleichungen 5 und 6 definieren die beiden Eingangsrückkopplungsfaktoren, β1 und β2, für den FDA.

Gleichung 5 Gleichung 5

Gleichung 6 Gleichung 6

Wenn β1 gleich β2 ist, ergibt Gleichung 7 die ideale Regelkreisverstärkung für den FDA.

Gleichung 7 Gleichung 7

VOUT, dm gibt Aufschluss über das Verhalten von resistiven Fehlanpassungen. Die allgemeine Regelkreisgleichung für VOUT, dm beinhaltet VIP, VIN, β1, β2 und VOCM. Gleichung 8 zeigt die Formel für VOUT, dm, wobei die Open-Loop-Spannungsverstärkung des Verstärkers als A(s) dargestellt ist.

Gleichung 8 Gleichung 8

Wenn β1 ≠ β2, hängt der Fehler der Ausgangsdifferenzspannung (VOUT, dm) hauptsächlich von VOCM ab. Dieses unerwünschte Ergebnis führt zu einem Offset und übermäßigem Rauschen im Differenzausgang. Wenn β1 = β2 ≡ β, wird Gleichung 8 zu Gleichung 9.

Gleichung 9 Gleichung 9

Die beiden Komponenten der Ausgangssymmetrie sind Amplitude und Phase. Die Amplitudensymmetrie misst, ob die beiden Ausgangsamplituden übereinstimmen; im Idealfall stimmen sie genau überein. Die Phasensymmetrie misst die Nähe der Phasendifferenzen zwischen den beiden Ausgängen, wobei das Ideal gleich 180° ist.

Die Überlegungen zur FDA-Stabilität sind die gleichen wie bei Standard-Operationsverstärkern. Die wichtigste Angabe ist der Phasenbereich. In den Produktdatenblättern ist der Phasenbereich einer bestimmten Verstärkerkonfiguration angegeben; die parasitären Effekte des Leiterplattenlayouts können die Stabilität jedoch erheblich verringern. Im Falle eines Verstärkers mit negativer Spannungsrückkopplung ist es ziemlich einfach: Die Stabilität hängt von der Schleifenverstärkung, A(s) × β, dem Vorzeichen und dem Betrag ab. Der FDA hingegen hat zwei Rückkopplungsfaktoren. Die Gleichungen 8 und 9 haben die Schleifenverstärkung im Nenner. Gleichung 10 beschreibt die Schleifenverstärkung für den Fall eines nicht angepassten Rückkopplungsfaktors (β1 ≠ β2).

Gleichung 10 Gleichung 10

Die Abschwächung aller oben genannten Fehler hängt von dem langwierigen und teuren Anpassungsprozess mit den diskreten Widerständen RG1, RG2, RF1 und RF2 ab.

Kombinierte Leistung von FDA und ADC

Die Kombination aus FDA, diskreten Widerständen, Filter 1. Ordnung und ADC gibt Aufschluss über den Signal-Rausch-Abstand (SNR), den Gesamtklirrfaktor (THD), den Signal-Rausch-Abstand und die Verzerrung (SINAD) sowie den störungsfreien Dynamikbereich (SFDR), die zu den Leistungsmerkmalen des FDA in Bezug auf die Gesamtgenauigkeit und Auflösung der Schaltung beitragen. Die kombinierten Spezifikationen umfassen den SNR, THD, SINAD und SFDR. Der FDA hat zahlreiche Spezifikationen, die sich auf diese Frequenzspezifikationen auswirken, wie z. B. Bandbreite, Ausgangsspannungsrauschen, Verzerrung, Stabilität und Einschwingzeit, die sich alle auf die Leistung des ADCs auswirken. Der ADC hat einen eigenen Satz von Spezifikationen. Die große Herausforderung besteht darin, den passenden FDA für den ADC auszuwählen.

Platinenlayout

Das Platinenlayout ist der letzte Schritt im Designprozess. Leider kann das Layout ein übersehener Designschritt sein, der zu einem schlechten Platinenentwurf führt, der die Schaltung beeinträchtigen oder unbrauchbar machen kann. Diese komplette diskrete Schaltung besteht aus drei integrierten Schaltkreisen, sechs Widerständen und mehreren Entkopplungskondensatoren (Abbildung 3).

Schaltplan: FDA und SAR-ADC mit LPF 1. Ordnung und EntkopplungskondensatorenAbbildung 3: FDA und SAR-ADC mit LPF 1. Ordnung sowie Netzentkopplungskondensatoren. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 3 sind die parasitären Elemente, die die Leistung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen untergraben, die parasitäre Kapazität und Induktivität der Leiterplatte. Bauteilanschlüsse, Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Masse parallel zu Versorgungsebenen sind die Übeltäter. Diese Kapazitäten und Induktivitäten sind besonders gefährlich an den Summierknoten des Verstärkers, wo sie Pole und Nullstellen im Rückkopplungsverhalten einführen, was zu Spitzenwerten und Instabilität führt.

Integrierte Lösung

SAR-Wandler können einen FDA, entscheidende passive Komponenten, Filter 1. Ordnung, eine Spannungsreferenz und Entkopplungskondensatoren zur Verbesserung der effektiven Auflösung bieten. Der ADAQ23875 von Analog Devices ist beispielsweise ein 16-Bit-Datenerfassungsmodul mit 15 MS/s, das alle diese Elemente enthält (Abbildung 4). Als solches verkürzt es den Entwicklungszyklus von Präzisionsmesssystemen, indem es die Last der Komponentenauswahl, der Optimierung und des Layouts vom Entwickler auf die integrierte Schaltung überträgt.

Diagramm: Der ADAQ23875 von Analog Devices vereinfacht das Design von Highspeed-ADCs (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 4: Der ADAQ23875 vereinfacht das Design von Highspeed-ADCs, indem er einen FDA, einen Filter 1. Ordnung und einen SAR-ADC auf einem einzigen Modul kombiniert, unterstützt durch lasergetrimmte Verstärkungswiderstände um den FDA sowie integrierte Entkopplungskondensatoren. (Bildquelle: Analog Devices)

Die passiven integrierten Widerstandskomponenten besitzen hervorragende Anpassungs- und Drifteigenschaften, um parasitär bedingte Fehlerquellen zu minimieren und bieten eine optimierte Leistung, um die enge Anpassung von β1 und β2 zu gewährleisten. Die Abstimmung dieser Schleifenverstärkungen trägt dazu bei, die Spezifikationen des Moduls von ±1 Millivolt (mV) Offset und 91,6 Mikrovolt effektivem (µVeff) Gesamtrauschen zu erreichen.

Die 2,048-Volt-Bandlücken-Spannungsreferenz hat ein geringes Rauschen und eine geringe Drift (20 Teile pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C)) zur Unterstützung des FDA- und 16-Bit-ADC-Systems. In Verbindung mit dem FDA bedeuten diese Spezifikationen für den SAR-ADC 90 dB SNR-Genauigkeit und ±1 ppm/°C Verstärkungsdrift. Der VOCM-Pin des FDA verwendet die 2,048 Volt der Referenz, um seine Ausgangsgleichspannung bereitzustellen.

Ein interner Referenzpuffer verstärkt die 2,048-Volt-Referenz um zwei, um 4,096 Volt für die ADC-Referenzspannung zu erzeugen. Die Spannungsdifferenz zwischen der Referenz des ADCs und GND bestimmt den Vollskalen-Eingangsbereich des SAR-ADCs des ADAQ23875. Außerdem verfügt der ADAQ23875 über einen integrierten Entkopplungskondensator mit 10 Mikrofarad (μF) zwischen Referenzpuffer und GND, um Ladungsspitzen der SAR-ADC-Referenzumwandlung zu absorbieren und die Einschränkungen des diskreten Designs zu mildern.

Wie Abbildung 4 zeigt, ist die Eingangsgleichspannung des FDA unabhängig von der Ausgangsgleichspannung des FDA. In den Beispielen eins bis drei sind die Versorgungsspannungen:

VS+ = 7 Volt (positive FDA-Versorgungsspannung)

VS- = -2 Volt (negative FDA-Versorgungsspannung)

VDD = +5 Volt (ADC-Versorgungsspannung)

VIO = 2,5 Volt (Spannungsversorgung für analoge und digitale Ausgänge)

Beispiel 1 zeigt einen Eingangsspannungsbereich von ±1,024 Volt mit einer Eingangsgleichspannung von -1 Volt. Der FDA wendet eine Verstärkung von 2 Volt/Volt auf diese Signale an, und der FDA-Pegel verschiebt die Ausgangsspannung um den Wert an VCMO oder 2,048 Volt. Der Prozess bietet einen Signalbereich von ±2,048 Volt mit einer Gleichspannung von VCMO von 2,48 Volt am Ausgang des FDA. Die Eckfrequenz des Filters 1. Ordnung beträgt 1/(2pR x C) Hertz (Hz) oder ~78 Megahertz (MHz). Der Eingangssignalbereich für den ADC beträgt ±2,048 Volt, mit einer Gleichspannung von +2,048 Volt.

Der ADAQ23875 verfügt über eine digitale LVDS-Schnittstelle mit ein- oder zweispurigen Ausgabemodi, so dass der Anwender die Datenrate der Schnittstelle für jede Anwendung optimieren kann. Die digitale Spannungsversorgung für die Schnittstelle ist VIO.

Der ADAQ23875 verfügt über vier Stromversorgungen: eine interne ADC-Kernversorgung (VDD), eine digitale Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenversorgung (VIO), eine positive FDA-Versorgung (VS+) und eine negative FDA-Versorgung (VS-). Zur Erleichterung des Platinenlayouts sind alle Versorgungspins mit integrierten 0,1 mF oder 0,2 mF Entkopplungskondensatoren ausgestattet. Es ist notwendig, hochwertige 2,2 μF (0402, X5R) Keramik-Entkopplungskondensatoren auf der Platine am Ausgang der LDO-Regler zu platzieren. Diese Regler erzeugen die μModul-Versorgungsschienen (VDD, VIO, VS+ und VS-), um die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren und die Auswirkungen auf Störungen der Versorgungsleitungen zu reduzieren. Alle anderen erforderlichen Entkopplungskondensatoren befinden sich im ADAQ23875, wodurch sich das PSRR-Verhältnis (Power Supply Rejection Ratio, Versorgungsspannungsdurchgriff) des gesamten Subsystems verbessert und zusätzlicher Platz auf der Platine sowie Kosten eingespart werden. Um die interne Referenz und den internen Referenzpuffer zu verwenden, entkoppeln Sie den REFIN-Pin mit einem 0,1μF-Keramikkondensator gegen GND.

Das Modul ADAQ23875 macht die Auswahl des geeigneten FDA und Widerstandsnetzwerks für den ADC überflüssig und gewährleistet dennoch eine hohe Leistung und enge Spezifikationen für SNR, THD, SINAD und SFDR (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB bzw. 114,3 dB) (Abbildung 5). Normalerweise ist die Erfassung der Systemspezifikationen Sache des Entwicklers. Der Systemansatz des ADAQ23875 hilft Entwicklern, diese Spezifikationen effizienter zu erreichen.

Abbildung: Das Modul ADAQ23875 von Analog Devices bestimmt die SNR-, THD-, SINAD-, SFDR-SpezifikationenAbbildung 5: Das Modul ADAQ23875 bestimmt die SNR-, THD-, SINAD- und SFDR-Spezifikationen, die durch den On-Chip-FDA, den Filter 1. Ordnung und den SAR-ADC laufen. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 5 zeigt die SNR-, THD-, SINAD- und SFDR-Testergebnisse für ein 1-kHz-Differenzeingangssignal in den ADAQ23875. Für eine spezielle Anwendung verfügt das Board EVAL-ADAQ23875FMCZ für den ADAQ23875 über Software zur Unterstützung der Geräteevaluierung, einschließlich der Geräteprogrammierung, Wellenform-, Histogramm- und FFT-Erfassung. Entwickler können das Evaluierungsboard an die Systemdemonstrationsplattform EVAL-SDP-CH1Z von ADI anschließen, um es mit Strom zu versorgen und die Steuerung des Evaluierungsboards durch einen PC über den USB-Anschluss des SDP-CH1Z zu ermöglichen (Abbildung 6).

Diagramm: Board ADAQ23875FMCZ von Analog Devices, verbunden mit dem Board EVAL-SDP-CH1Z (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Das Evaluierungsboard ADAQ23875FMCZ (links) ist mit der System-Demonstrationsplattform (EVAL-SDP-CH1Z) verbunden (rechts) und ermöglicht die Steuerung des Evaluierungsboards über den USB-Anschluss eines PCs. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Software des Evaluierungsboards, ACE-Plugin für Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21] und ACE-Installersoftware 1.21.2994.1347 [Feb 08 21], ermöglicht dem Benutzer die Konfiguration des Überabtastwertes jedes Kanals, des Eingangsbereichs, der Anzahl der Abtastungen und der Auswahl des aktiven Kanals. Zusätzlich ermöglicht diese Software auch das Speichern und Öffnen von Testdateien.

Fazit

Um die Herausforderungen des Highspeed-Analogdesigns zu meistern und die beste Gesamtleistung bei der Datenerfassung zu erzielen, können sich Entwickler an das Modul ADAQ23875 wenden. Es handelt sich um ein komplettes Highspeed-Wandlersystem, das einen FDA, einen Tiefpassfilter 1. Ordnung, einen SAR-ADC und eine Reihe von Entkopplungskondensatoren umfasst, die die Erregungssignale verstärken und die entsprechenden Treibersignale bereitstellen, sowie die Filterung und Rückführung der Sekundärsignale. Als hochintegriertes Modul befreit das Systemmodul ADAQ23875 für die Datenerfassung das Design von analoger „schwarzer Magie“ mit einer kompletten FDA-zu-SAR-ADC-Lösung für Highspeed-Datenerfassung, Hardware in the Loop (HiL) und Leistungsanalysatoren.

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Über den Autor

Bonnie Baker

Bonnie Baker ist eine aktive Autorin bei Digi-Key Electronics. Burr-Brown, Microchip und Texas Instruments vereinfachten ihr die Beschäftigung mit analogem Design und analogen Systemen seit mehr als 30 Jahren. Bonnie hat einen Master of Science in Elektrotechnik von der University of Arizona (Tucson, Arizona) und einen Bachelor-Abschluss in Musikausbildung von der Northern Arizona University (Flagstaff, Arizona). Zusätzlich zu ihrer Faszination für analoges Design hat Bonnie den Ehrgeiz, ihr Wissen und ihre Erfahrung durch die Veröffentlichung von bisher über 450 Artikeln, Design-Notizen und Anwendungshinweisen weiterzugeben.

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