Moduuliin integroidut vahvistimet poistavat ”mustan magian” erittäin nopeiden AD-muuntimien suunnittelusta

Tiedonhankinta- ja HiL (hardware in the loop) ‑järjestelmien sekä tehoanalysaattorien kaltaisten järjestelmien suunnittelijat tarvitsevat analogisignaalin muunninketjun, jolla saavutetaan suuri resoluutio ja suuri tarkkuus erittäin suurilla näytteenottonopeuksilla (jopa 15 miljoonaa näytettä sekunnissa (MSPS)). Erittäin nopeat analogiset sovellukset saattavat kuitenkin monien suunnittelijoiden mielestä olla melkeinpä mustaa magiaa – etenkin jos ratkaisuun sisältyy useita piilossa olevia loispiirejä, jotka heikentävät signaalin eheyttä.

Tyypillisissä diskreeteissä ratkaisuissa on useita mikropiirejä ja komponentteja, kuten täysin differentiaalinen vahvistin (FDA), ensimmäisen (1. ) asteen alipäästösuodatin (LPF), jännitereferenssi ja erittäin nopea, suuriresoluutioinen analogia-digitaalimuunnin (ADC). Kapasitiiviset ja resistiiviset loispiirit sijaitsevat ADC:n ohjainvahvistimessa (FDA) ja sen ympärillä, ADC-tulosuodattimessa ja analogia-digitaalimuuntimessa.

Näiden loispiirien poistaminen tai vähentäminen tai niiden vaikutusten lieventäminen on haastavaa ja vaatii paljon ammattitaitoa. Se voi vaatia myös lukuisia piirisuunnittelusyklejä ja muutoksia piirilevyn asetteluun, mikä hidastaa suunnittelua ja lisää kustannuksia. Näiden suunnitteluongelmien ratkaisemiseen tarvitaan kattavampi integroitu ratkaisu.

Tässä artikkelissa kuvaillaan diskreettiä tiedonhankintapiiriä ja siihen liittyviä asetteluongelmia. Sen jälkeen siinä esitellään integroitu moduuli, joka sisältää suuriresoluutioisen, erittäin nopealla SAR-rekisterillä (Successive Approximation Register) varustetun analogia-digitaalimuuntimen, jota edeltää täysin differentiaalinen vahvistin. Artikkelissa osoitetaan, miten Analog Devices ‑yhtiön täydellinen ADAQ23875-moduuli ja siihen liittyvä kehityskortti ratkaisevat monet suunnittelupulmat yksinkertaistamalla ja nopeuttamalla suunnitteluprosessia. Tämän lopputuloksena saavutetaan kuitenkin tarvittava suuriresoluutioinen ja erittäin nopea konversio.

Erittäin nopean tiedonhankinnan signaalireitti

Erittäin nopeissa AD-muuntimissa käytetään differentiaalisia tuloja suorituskyvyn parantamiseen tulosignaalin balansoinnin ja yhteismuotoisen kohinan sekä häiriöiden torjumisen avulla. Analoginen ADC-ohjain toimii optimaalisesti, kun ADC-ohjaimen ja itse ADC:n tulot ovat täysin differentiaaliset (kuva 1). Järjestelmä pystyy VLDS (pienjännite-differentiaalisignaali) -sarjarajapinnan (oikealla) ansiosta toimimaan erittäin nopeasti, jolloin sitä voidaan käyttää tiedonhankinnassa, HiL-järjestelmissä ja tehoanalysaattorisovelluksissa.

Kuva 1: Erittäin suuritaajuinen tiedonhankintajärjestelmä, jonka etuasteena on täysin differentiaalinen vahvistin, 1. asteen analoginen suodatin ja SAR-ADC differentiaalisella tulolla sekä erittäin nopea LVDS-sarjarajapinta. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Kuvassa 1 esitetty konfiguraatio toteuttaa lukuisia tärkeitä tehtäviä, kuten amplitudin skaalaus, muunnos epäsymmetrisestä differentiaaliseksi, puskurointi, yhteismuotoisen offset-virheen säätö sekä suodatus.

FDA-ohjainteknologia

FDA-jännitetakaisinkytkennän ADC-ohjain toimii kuin perinteinen vahvistin – kahta eroa lukuun ottamatta. FDA:ssa on ensinnäkin differentiaalinen lähtö ja ylimääräinen negatiivinen lähtöliitin (V_ON). Toiseksi siinä on ylimääräinen tuloliitin (V_OCM), joka asettaa lähdön yhteismuotoisen jännitteen (kuva 2).

Kuva 2: FDA:n kahdessa tulossa on takaisinkytkentäsilmukat ja yhteismuotoisen lähtöjännitteen jännitteensäätö (V_OCM). Tämä konfiguraatio tarjoaa riippumattoman differentiaalisen tulojännitteen (V_{IN, dm}) ja differentiaalisen lähtöjännitteen (V_{OUT, dm}). (Kuvan lähde: Analog Devices)

FDA:ssa on kolme sisäistä vahvistinta, kaksi tulossa ja kolmas, joka toimii lähtövaiheessa. Negatiivinen takaisinkytkentä (R_F1, R_F2) ja kahden sisäisen tulovahvistimen korkea avoimen silmukan vahvistus saavat tuloliittimet VA+ ja VA– käyttäytymään käytännössä samalla tavoin. FDA tuottaa epäsymmetrisen lähdön sijaan V_OP- ja V_ON ‑liittimien kesken balansoidun differentiaalisen lähdön yhteismuotoisella jännitteellä V_OCM.

Differentiaalisten tulosignaalien (V_IP ja V_IN) amplitudit ovat samat ja vaiheet vastakkaiset balansoidun tulosignaalin vastaanottavan yhteismuotoisen referenssijännitteen (V_{IN, cm}) ympärillä. Yhtälöistä 1 ja 2 käy ilmi, miten lasketaan differentiaalitilan tulojännite (V_{IN, dm}) ja yhteismuotoinen tulojännite (V_{IN, cm}).

 Yhtälö 1

 Yhtälö 2

Yhtälöissä 3 ja 4 esitetään lähdön differentiaalitilan ja yhteismuodon määritelmät.

 Yhtälö 3

 Yhtälö 4

Huomaa, että yhtälössä 4 on mukana myös V_OCM.

Tyypillisten vahvistinpiirien tapaan myös FDA-järjestelmän vahvistus määräytyy R_Gx- ja R_Fx-arvojen perusteella. Yhtälöissä 5 ja 6 määritetään kaksi FDA:n tulon takaisinkytkennän tekijää, β₁ ja β₂.

 Yhtälö 5

 Yhtälö 6

Kun β₁ on yhtä suuri kuin β₂, FDA:n ideaalinen suljetun silmukan vahvistus saadaan yhtälöstä 7.

 Yhtälö 7

V_{OUT, dm} auttaa ymmärtämään resistiivisten yhteensopimattomuuksien suorituskykyä. V_{OUT, dm} ‑arvon yleinen suljetun silmukan yhtälö sisältää tekijät V_IP, V_IN, β₁, β₂ ja V_OCM. Yhtälössä 8 on esitetty kaava arvolle V_{OUT, dm} vahvistimen avoimen silmukan jännitevahvistuksena (yksikkö A(s)).

 Yhtälö 8

Kun β₁ ≠ β₂, differentiaalisen lähtöjännitteen (V_{OUT, dm}) virhe riippuu pääasiassa arvosta V_OCM. Tämä ei-toivottu lopputulos aiheuttaa differentiaalilähtöön offset-virheen ja ylimääräistä kohinaa. Jos β₁ = β₂ ≡ β, yhtälöstä 8 tulee yhtälö 9.

 Yhtälö 9

Lähdön tasapainoon vaikuttavat komponentit ovat amplitudi ja vaihe. Amplituditasapaino mittaa, vastaavatko lähtöamplitudit toisiaan. Ihannetapauksessa ne ovat täsmälleen samat. Vaihetasapaino kertoo, kuinka lähellä kahden lähdön vaihe-erot ovat 180 asteen ihanteellista vaihe-eroa.

FDA:n stabiiliuteen vaikuttavat samat asiat kuin tavallisiinkin operaatiovahvistimiin. Niistä tärkein on vaihevara. Tuotteiden teknisissä tiedoissa kerrotaan kunkin vahvistinkonfiguraation vaihevara. Piirilevyasettelun loisvaikutukset saattavat kuitenkin heikentää stabiiliutta huomattavasti. Negatiivista takaisinkytkentäjännitettä käyttävän vahvistimen kohdalla tilanne on melko selkeä: stabiilius määräytyy silmukkavahvistuksen, A(s) × β, merkin ja suuruuden mukaan. FDA:ssa on puolestaan kaksi takaisinkytkentätekijää. Silmukkavahvistus on nimittäjänä yhtälöissä 8 ja 9. Yhtälö 10 kuvaa silmukkavahvistuksen, kun takaisinkytkentätekijät ovat erisuuret (β1 ≠ β2).

 Yhtälö 10

Kaikkien edellä mainittujen virheiden välttäminen vaatii diskreettien vastusten R_G1, R_G2, R_F1 ja R_F2 pitkällistä ja kallista yhteensovittamista.

FDA:n ja AD-muuntimen kokonaissuorituskyky

FDA:n, diskreettien vastusten, 1. asteen suodattimen ja AD-muuntimen yhdistelmä määrittää signaalikohinasuhteen (SNR), harmonisen kokonaissärön (THD), signaalikohina/särösuhteen (SINAD) sekä häiriöttömän dynaamisen alueen (SFDR), jotka vaikuttavat FDA:n suorituskykyyn piirin kokonaistarkkuuden ja ‑resoluution osalta. SNR, THD, SINAD ja SFDR sisältyvät yhdistettyihin teknisiin tietoihin. FD-vahvistimelle on useita näihin taajuusspesifikaatioihin vaikuttavia spesifikaatioita, kuten kaistanleveys, lähtöjännitteen kohina, vääristymä, stabiilius ja asettumisaika, jotka kaikki vaikuttavat ADC:n suorituskykyyn. ADC:llä on puolestaan omat spesifikaationsa. ADC:lle sopivan FD-vahvistimen valinta muodostaakin merkittävän haasteen.

Piirilevyn asettelu

Piirilevyn asettelu on suunnitteluprosessin viimeinen vaihe. Asetteluun kiinnitetään valitettavasti toisinaan aivan liian vähän huomiota, jolloin se saattaa heikentää piiriä tai tehdä siitä peräti käyttökelvottoman. Tässä täysin diskreetissä piirissä on kolme integroitua piiriä, kuusi vastusta ja useita erotuskondensaattoreita (kuva 3).

Kuva 3: FDA ja SAR-ADC, 1. asteen alipäästösuodatin ja teholähteen erotuskondensaattorit. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 3 erittäin nopean piirin suorituskykyä heikentävät loiselementit ovat piirilevyn loiskapasitanssi ja ‑induktanssi. Tämä johtuu komponenttien juotospinnoista, johtimista ja maadoituksesta, jotka on kytketty rinnakkain virtatasojen kanssa. Tällaiset kapasitanssit ja induktanssit ovat erityisen vaarallisia vahvistimen summaussolmuissa, joissa ne muodostavat takaisinkytkennän vasteeseen napoja ja nolla-arvoja, mikä puolestaan johtaa piikkeihin ja epästabiiliuuteen.

Integroitu ratkaisu

SAR-muuntimet parantavat resoluutiota tarjoamalla käyttöön FD-vahvistimen, tärkeät passiiviset komponentit, 1. asteen suodattimet, jännitereferenssin sekä erotuskondensaattorit. Esimerkiksi Analog Devices ADAQ23875 on 16-bittinen 15 MSPS:n tiedonhankintamoduuli, joka sisältää kaikki nämä elementit (kuva 4). Se lyhentää tarkkojen mittausjärjestelmien kehityssykliä siirtämällä komponenttien valintaan, optimointiin ja asetteluun liittyvän suunnittelukuormituksen suunnittelijalta integroituun piiriin.

Kuva 4: ADAQ23875 yksinkertaistaa erittäin nopeiden analogia-digitaalimuuntimien suunnittelua, sillä se yhdistää FD-vahvistimen, 1. asteen suodattimen sekä SAR-ADC:n yhdeksi ainoaksi moduuliksi, jota tukevat FD-vahvistimen ympärille sijoitetut laserleikatut vahvistusvastukset ja sirun erotuskondensaattorit. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Sirun passiivisten vastuskomponenttien yhteensopivuus- ja ryömimisominaisuudet ovat ylivoimaiset. Ne vähentävät loispiireistä johtuvia vikalähteitä ja optimoivat suorituskykyä siten, että β₁ ja β₂ vastaavat toisiaan mahdollisimman hyvin. Näiden silmukkavahvistusten yhteensovitus auttaa pitämään moduulin offset-virheen ±1 millivoltissa (mV) ja RMS-kokonaiskohinan 91,6 mikrovoltissa (RMS) (µV_RMS) .

Jännitereferenssin 2,048 voltin energiaraon kohina ja ryömintä ovat alhaiset (20 miljoonasosaa celsiusastetta kohden (ppm/°C)), mikä tukee FD-vahvistinta ja 16-bittistä ADC-järjestelmää. Yhdessä FD-vahvistimen kanssa nämä spesifikaatiot tuottavat SAR-ADC:lle 90 dB:n SNR-tarkkuuden ja ±1 ppm/°C vahvistusvirheen. FD-vahvistimen V_OCM-nasta käyttää 2,048 voltin referenssiä yhteismuotoisen lähtöjännitteen tarjoamiseen.

Sisäinen referenssipuskuri vahvistaa 2,048 voltin referenssin kaksinkertaiseksi, jolloin ADC:n referenssijännitteeksi tulee 4,096 volttia. ADC:n referenssijännitteen ja maapotentiaalin (GND) välinen jännite-ero määrittää ADAQ23875:n SAR-ADC:n koko tuloalueen. ADAQ23875 käyttää sirulla referenssipuskurin ja GND-maapotentiaalin välissä myös 10 mikrofaradin (μF) erotuskondensaattoria, joka absorboi SAR-ADC:n referenssikonversion varauspiikit ja helpottaa diskreetin asettelun rajoituksia.

Kuten kuvassa 4 näytetään, FD-vahvistimen yhteismuotoinen lähtöjännite ei vaikuta sen yhteismuotoiseen tulojännitteeseen. Syöttöjännite on esimerkeissä 1–3:

VS+ = 7 volttia (FDA:n positiivinen syöttöjännite)

VS- = -2 volttia (FDA:n negatiivinen syöttöjännite)

VDD = +5 volttia (ADC:n syöttöjännite)

VIO = 2,5 volttia (analogisen ja digitaalisen lähdön jännite)

Esimerkissä 1 tulojännitealue on ±1,024 volttia ja yhteismuotoinen tulojännite -1 volttia. FD-vahvistin vahvistaa näitä signaaleja 2 volttia/voltti, jolloin FD-vahvistin siirtää lähtöjännitettä arvolla V_CMO tai 2,048 volttia. Prosessin seurauksena FD-vahvistimen lähdön signaalialue on ±2,048 volttia ja yhteismuotoinen jännite V_CMO on 2,48 volttia. 1. asteen suodattimen kulmataajuus on 1/(2pR x C) hertsiä (Hz) eli noin 78 megahertsiä (MHz). ADC:n tulosignaali on ±2,048 volttia ja yhteismuotoinen jännite +2,048 volttia.

ADAQ23875 tarjoaa digitaalisen LVDS-rajapinnan yksi- tai kaksikaistaisella lähtötilalla. Käyttäjä voi näin optimoida kunkin sovellusrajapinnan datanopeuden. VIO on rajapinnan digitaalinen teholähde.

ADAQ23875 sisältää neljä teholähdettä: ytimen sisäinen ADC-virtalähde (VDD), digitaalisen I/O-rajapinnan virtalähde (VIO), FD-vahvistimen positiivinen virtalähde (VS+) ja negatiivinen virtalähde (VS−). Piirilevyn asetteluongelmien helpottamiseksi kaikissa käyttöjännitenastoissa on sirulla sijaitsevat 0,1 mF:n tai 0,2 mF:n erotuskondensaattorit. Piirilevylle on sijoitettava laadukkaat 2,2 μF:n (0402, X5R) keraamiset erotuskondensaattorit LDO-regulaattorien lähtöihin. Nämä regulaattorit generoivat μModulen jännitetasot (VDD, VIO, VS+ ja VS−) sekä minimoivat piirin herkkyyden sähkömagneettisille häiriöille ja vähentävät verkkovirran häiriöiden vaikutusta virtalähteeseen. Kaikki muut tarvittavat erotuskondensaattorit sisältyvät ADAQ23875-piiriin, mikä parantaa koko osajärjestelmän PSRR-suhdetta (Power Supply Rejection Ratio), vähentää piirilevyltä tarvittavaa tilaa sekä laskee kustannuksia. Sisäistä referenssiä ja referenssipuskuria voi käyttää erottamalla REFIN-nastan GND-maatasosta 0,1 μF:n keraamisella kondensaattorilla.

ADAQ23875-moduuli poistaa ADC:lle sopivan FD-vahvistimen ja resistiivisen verkon valintapulmat ja varmistaa samalla erittäin hyvän suorituskyvyn sekä tiukat SNR-, THD-, SINAD- ja SFDR-arvot (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB ja 114,3 dB) (kuva 5). Järjestelmän spesifikaatioiden keräämisestä vastaa yleensä suunnittelija. ADAQ23875:n järjestelmäpohjainen lähestymistapa auttaa suunnittelijoita saamaan nämä spesifikaatiot aiempaa tehokkaammin.

Kuva 5: ADAQ23875-moduuli tarjoaa SNR-, THD-, SINAD- ja SFDR-spesifikaatiot sirun FD-vahvistimen, 1. asteen suodattimen ja SAR-ADC:n kautta kulkevalle signaalille. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 5 on esitetty SNR-, THD-, SINAD- ja SFDR-testitulokset ADAQ23875-piiriin syötetylle differentiaaliselle 1 kHz:n tulosignaalille. ADAQ23875-piiriä käyttävä EVAL-ADAQ23875FMCZ-alusta sisältää laitteiden arvioinnissa auttavan ohjelmiston, joka mahdollistaa laitteiden ohjelmoinnin sekä aaltomuodon, histogrammin ja FFT-muunnoksen mittaamisen haluttua sovellusta varten. Arviointialustan voi kytkeä ADI:n EVAL-SDP-CH1Z-SDP-korttiin (System Demonstration Platform), josta se saa virtansa ja joka mahdollistaa arviointialustan ohjaamisen tietokoneella SDP-CH1Z-kortin USB-portin kautta (kuva 6).

Kuva 6: ADAQ23875FMCZ-arviointialustan (vasemmalla) yhdistäminen SDP-korttiin (EVAL-SDP-CH1Z, oikealla) mahdollistaa arviointialustan ohjauksen tietokoneella USB-portin kautta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Arviointialustan ohjelmistojen ACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [18.2.2021] ja ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [8.2.2921] avulla käyttäjä voi määrittää kunkin kanavan ylinäytteistysarvon, tuloalueen, näytteiden lukumäärän ja aktiivisen kanavan valinnan. Lisäksi tämä ohjelmisto mahdollistaa testidatatiedostojen tallennuksen ja avaamisen.

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat hyödyntää ADAQ23875-moduulia erittäin nopean analogisen suunnittelun haasteissa ja saavuttaa sen avulla mahdollisimman hyvä kokonaisteho tiedonhankinnassa. Tämä kattava erittäin nopea konversiojärjestelmä sisältää FD-vahvistimen, 1. asteen alipäästösuodattimen, SAR-ADC:n ja sarjan erotuskondensaattoreita, jotka vahvistavat virityssignaaleja ja tarjoavat tarvittavat ohjaussignaalit. Lisäksi ne suodattavat sekundäärisiä signaaleja ja huolehtivat niiden takaisinkytkennästä. ADAQ23875-tiedonhankintamoduuli on korkeasti integroitu moduuli, joka poistaa suunnittelusta analogiaan liittyvän ”mustan magian”. Sen on täydellinen FDA-SAR-ADC-ratkaisu, joka soveltuu käytettäväksi erittäin nopeaan tiedonhankintaan, HiL-järjestelmiin sekä tehoanalysaattoreihin.