Dzięki modułom ze zintegrowanymi wzmacniaczami projektowanie szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) przestaje być „czarną magią”

Projektanci systemów akwizycji danych, sprzętu w pętli (HiL) i analizatorów mocy, potrzebują łańcucha konwersji sygnału analogowego, który byłby w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość i wysoką dokładność przy bardzo wysokich częstotliwościach próbkowania, często do 15 megapróbek na sekundę (MSPS). Jednak szybkie układy analogowe mogą dla wielu projektantów być „czarną magią”, zwłaszcza w obliczu szeregu ukrytych elementów pasożytniczych, które wpływają na integralność sygnału.

Na przykład typowe projekty są dyskretne i zawierają kilka układów scalonych oraz komponentów, m.in. wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA), filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu (LPF), wzorzec napięcia i szybki przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) o wysokiej rozdzielczości. Pojemnościowe i rezystancyjne elementy pasożytnicze znajdują się wewnątrz i w pobliżu wzmacniacza przetwornika ADC (FDA), filtra wejściowego przetwornika ADC i samego przetwornika ADC.

Eliminowanie, ograniczanie lub łagodzenie wpływu takich elementów pasożytniczych jest trudne. Wymaga to zaawansowanych umiejętności i może wymagać wielu cykli projektowania obwodów oraz iteracji układu płytki drukowanej, co może mieć negatywny wpływ na harmonogramy projektowania i budżet. Wymagane jest bardziej całościowe i zintegrowane rozwiązanie, które załatwi wiele z tych problemów projektowych.

W niniejszym artykule opisano dyskretny obwód akwizycji danych i powiązane z nim problemy, a następnie przedstawiono moduł zintegrowany, który zawiera szybki przetwornik analogowo-cyfrowy o wysokiej rozdzielczości i sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) z front-endowym wzmacniaczem pełnoróżnicowym (FDA). W artykule przedstawiono, jak dzięki kompletnemu modułowi ADAQ23875 firmy Analog Devices i przeznaczonej do niego płytki rozwojowej pokonuje się problemy związane z projektowaniem układów o dużej szybkości, upraszczając i przyspieszając proces projektowania, a mimo to wciąż osiągając wymagane wyniki konwersji o wysokiej rozdzielczości i dużej szybkości.

Ścieżka sygnałowa szybkiej akwizycji danych

Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) o wysokiej wydajności do poprawy ogólnej wydajności poprzez równoważenie sygnałów wejściowych i niwelację szumów i zakłóceń w trybie wspólnym wykorzystują wejścia różnicowe. Sterownik przetwornika analogowo-cyfrowego osiąga optymalną wydajność, gdy wejścia do niego i do samego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) są pełnoróżnicowe (ilustracja 1). Zastosowanie interfejsu szeregowego niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) (po prawej) umożliwia działanie układu z bardzo dużą prędkością w celu obsługi akwizycji danych, sprzętu w pętli (HiL) i analizatorów mocy.

Ilustracja 1: układ akwizycji danych wysokiej częstotliwości z front-endowym wzmacniaczem pełnoróżnicowym (FDA), filtrem analogowym 1. rzędu i wejściem różnicowym przetwornika analogowo-cyfrowego o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) z szybkim interfejsem szeregowym niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS). (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Konfiguracja na ilustracji 1 spełnia wiele podstawowych funkcji, w tym skalowanie amplitudy, konwersję sygnałów asymetrycznych na różnicowe, buforowanie, kompensację przesunięcia sygnałów wspólnych i filtrowanie.

Technologia sterownika wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA)

Działanie sterownika przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) z napięciowym sprzężeniem zwrotnym wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) jest podobne do działania tradycyjnego wzmacniacza, z wyjątkiem dwóch różnic. Po pierwsze, wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) ma wyjście różnicowe z dodatkowym ujemnym zaciskiem wyjściowym (V_ON). Po drugie, posiada dodatkowy zacisk wejściowy (V_OCM), który ustawia wyjściowe napięcie sygnału wspólnego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) posiada dwa wejścia z pętlami sprzężenia zwrotnego i funkcją sterowania napięciem (V_OCM) sygnału wspólnego. W tej konfiguracji powstają niezależne różnicowe napięcia wejściowe (V_{IN, dm}) i różnicowe napięcia wyjściowe (V_{OUT, dm}). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W skład wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) wchodzą tak naprawdę trzy wzmacniacze: dwa na wejściu i trzeci działający jako stopień wyjściowy. Ujemne sprzężenie zwrotne (R_F1, R_F2) i wysokie wzmocnienie w otwartej pętli dwóch wewnętrznych wzmacniaczy wejściowych wymusza zachowanie zacisków wejściowych, VA+ i VA-, aby były praktycznie równe. Zamiast wyjściowego sygnału asymetrycznego wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) wytwarza zrównoważony wyjściowy sygnał różnicowy V_OP i V_ON, o napięciu sygnału wspólnego V_OCM.

Różnicowe sygnały wejściowe (V_IP i V_W) mają jednakową amplitudę i przeciwną fazę względem napięcia sygnału wspólnego (V_{IN, cm}) ze zrównoważonym sygnałem wejściowym. Równania 1 i 2 pokazują, jak obliczyć napięcie wejściowe sygnału różnicowego (V_{IN, dm}) i napięcie wejściowe sygnału wspólnego (V_{IN, cm}).

Równanie 1

Równanie 2

Równania 3 i 4 definiują wyjściowe sygnały różnicowe i wspólne.

Równanie 3

Równanie 4

Zwróćmy uwagę na dodanie V_OCM w równaniu 4.

Podobnie jak w przypadku typowych obwodów wzmacniających, wzmocnienie w układzie wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) zależy od wartości R_Gx i R_Fx. Równania 5 i 6 definiują dwa wejściowe współczynniki sprzężenia zwrotnego, β₁ i β₂, dla wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA).

Równanie 5

Równanie 6

Jeśli β₁ równa się β₂, wówczas równanie 7 da idealne wzmocnienie pętli zamkniętej dla wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA).

Równanie 7

V_{OUT, dm} zapewnia wgląd w działanie niedopasowań w zakresie rezystancji. Ogólne równanie dla pętli zamkniętej dla V_{OUT, dm} zawiera V_IP, V_W, β₁, β₂i V_OCM. Równanie 8 przedstawia wzór na V_{OUT, dm} ze wzmocnieniem napięcia w pętli otwartej wzmacniacza pokazanym jako A(s).

Równanie 8

Jeśli wartość β₁ ≠ β₂, wówczas błąd różnicowego napięcia wyjściowego (V_{OUT, dm}) zależy przede wszystkim od V_OCM. Ten niepożądany wynik powoduje uchyb i nadmierny szum na wyjściu różnicowym. Jeśli wartość β₁ = β₂ ≡ β, wówczas równanie 8 przybiera postać równania 9.

Równanie 9

Dwie składowe równowagi na wyjściu to amplituda i faza. Równowaga amplitudy pokazuje, czy dwie amplitudy wyjściowe są ze sobą zgodne; w sytuacji idealnej odpowiadają sobie w 100%. Równowaga faz pokazuje bliskość różnic faz między dwoma wyjściami, przy czym wartość idealna to 180°.

Analiza stabilności wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) jest taka sama, jak w przypadku standardowych wzmacniaczy operacyjnych. Kluczową specyfikacją jest margines fazy. W arkuszach danych produktów podaje się margines fazy dla konkretnej konfiguracji wzmacniacza. Zjawiska pasożytnicze na układzie płytki drukowanej mogą jednak znacznie zmniejszać stabilność. W przypadku wzmacniacza z ujemnym napięciowym sprzężeniem zwrotnym jest to dość proste: stabilność zależy od wzmocnienia pętli, A (s) × β, znaku i wielkości. Natomiast wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) posiada dwa czynniki sprzężenia zwrotnego. Równania 8 i 9 mają wzmocnienie pętli w swoich mianownikach. Równanie 10 opisuje wzmocnienie pętli dla przypadku niedopasowanego współczynnika sprzężenia zwrotnego (β1 ≠ β2).

Równanie 10

Ograniczenie wszystkich powyższych błędów zależy od żmudnego i kosztownego procesu dopasowywania z wykorzystaniem rezystorów dyskretnych R_G1, R_G2, R_F1i R_F2.

Parametry przy jednoczesnym zastosowaniu wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC)

Kombinacja wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA), rezystorów dyskretnych, filtra 1. rzędu i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) oznacza poprawę parametrów działania w zakresie całkowitej dokładności układu i jego rozdzielczości. Parametry te obejmują: stosunek sygnału do szumu (SNR), całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD), stosunek sygnału do szumu i zniekształceń (SINAD) oraz zakres dynamiczny bez sygnałów pasożytniczych (SFDR). Połączone specyfikacje obejmują SNR, THD, SINAD i SFDR. Wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) ma wiele specyfikacji, które wpływają na parametry częstotliwościowe, takie jak szerokość pasma, szumy napięcia wyjściowego, zniekształcenia, stabilność i czas ustalania, przy czym wszystkie one mają wpływ na parametry działania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) ma swój własny zestaw specyfikacji. Istotnym wyzwaniem jest dobór odpowiedniego wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA), dopasowanego do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

Układ płytki

Układ płytki drukowanej to ostatni etap w procesie projektowania. Niestety rozplanowanie układu w trakcie projektowania można często przeoczyć, uzyskując kiepski projekt płytki, który może negatywnie wpłynąć na obwód lub nawet uczynić go bezużytecznym. Kompletny dyskretny obwód zawiera trzy układy scalone, sześć rezystorów i wiele kondensatorów odsprzęgających (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) i przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) z filtrem dolnoprzepustowym 1. rzędu i kondensatorami odsprzęgającymi zasilania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pasożytniczymi czynnikami, które osłabiają wydajność obwodów o dużej szybkości na ilustracji 3 jest pasożytnicza pojemność i indukcyjność płytki drukowanej. Obok płaszczyzn zasilania winowajcami są pola komponentowe, ścieżki, przelotki i uziemienie. Te pojemności i indukcyjności są szczególnie niebezpieczne w węzłach sumujących wzmacniacza, gdzie wprowadzają bieguny i zera w odpowiedzi sprzężenia zwrotnego, powodując wartości szczytowe i niestabilność.

Rozwiązanie zintegrowane

W celu zwiększenia efektywnej rozdzielczości przetworniki o sukcesywnej aproksymacji (SAR) mogą oferować wzmacniacze pełnoróżnicowe (FDA), kluczowe komponenty pasywne, filtry 1. rzędu, napięcia odniesienia i kondensatory odsprzęgające. Na przykład urządzenie ADAQ23875 firmy Analog Devices jest 16-bitowym modułem akwizycji danych o szybkości 15MSPS, posiadającym wszystkie wyżej wymienione elementy (ilustracja 4). Dzięki temu skraca cykl rozwojowy precyzyjnych układów pomiarowych poprzez przeniesienie obciążenia projektowego związanego z doborem komponentów, optymalizacją i układem z projektanta na układ scalony.

Ilustracja 4: moduł ADAQ23875 upraszcza projektowanie szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) poprzez połączenie wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA), filtra 1. rzędu, przetwornika analogowo-cyfrowego o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) w jednym module, zawierającym laserowo strojone rezystory wzmocnienia wokół wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA), a także kondensatory odsprzęgające mikroukładu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pasywne elementy rezystancyjne mikroukładu charakteryzują się znakomitym dopasowaniem i dryftem, co pozwala minimalizować źródła błędów pochodzenia pasożytniczego i oferują zoptymalizowane parametry działania, zapewniając bliskie dopasowanie β₁ i β₂. Dopasowanie tych wzmocnień pętli pomaga uzyskać uchyb modułu na poziomie ±1mV oraz specyfikacje wartości skutecznej szumów na poziomie 91,6µV_RMS.

Układ wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) i 16-bitowego układu przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) uzupełnia napięcie odniesienia pasma wzbronionego 2,048V o niskich szumach i niskim dryfcie 20 (ppm/°C)). W połączeniu ze wzmacniaczem pełnoróżnicowym (FDA), parametry te przekładają się na dokładność przetwornika analogowo-cyfrowego o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) wynoszącą 90dB SNR i dryft wzmocnienia ±1ppm/°C. Wtyk V_OCM wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) wykorzystuje napięcie odniesienia 2,048V, aby zapewnić wyjściowe napięcie sygnału wspólnego.

Wewnętrzny bufor odniesienia zwiększa napięcie odniesienia 2,048V dwukrotnie, dając wartość 4,096V dla napięcia odniesienia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Pełny zakres wejściowy przetwornika analogowo-cyfrowego o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) z modułu ADAQ23875 określa różnica napięć między wartością odniesienia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) a masą. Ponadto moduł ADAQ23875 posiada w mikroukładzie kondensator odsprzęgający 10μF pomiędzy buforem odniesienia i masą (GND), który pochłania skoki ładunku wynikające z konwersji przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) i łagodzi ograniczenia dyskretnego układu projektu.

Jak pokazano na ilustracji 4, wejściowe napięcie sygnału wspólnego wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) jest niezależne od napięcia wyjściowego sygnału wspólnego tego samego wzmacniacza. W przykładach 1-3 napięcia zasilania są następujące:

VS+ = 7V (dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA))

VS- = -2V (ujemne napięcie zasilania wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA))

VDD = +5V (napięcie zasilania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC))

VIO = 2,5V (zasilanie wyjścia analogowego i cyfrowego)

Przykład 1 przedstawia zakres napięcia wejściowego wynoszący ±1,024V przy wejściowym napięciu sygnału wspólnego -1V. Wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) do tych sygnałów stosuje wzmocnienie 2V/V, a poziom tego wzmacniacza powoduje przesunięcie napięcia wyjściowego o tę wartość przy V_CMO lub 2,048V. Proces ten daje zakres sygnałów ±2,048V przy napięciu sygnału wspólnego od V_CMO na poziomie 2,48V na wyjściu wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA). Częstotliwość odcięcia filtra 1. rzędu wynosi 1/(2pR x C)Hz, czyli ~78MHz. Zakres sygnału wejściowego przetwornika analogowo-cyfrowego wynosi ±2,048V przy napięciu sygnału wspólnego 2,048V.

Moduł ADAQ23875 jest wyposażony w cyfrowy interfejs niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) z jedno- lub dwupasmowymi trybami wyjściowymi, umożliwiając użytkownikowi indywidualną optymalizację szybkości transmisji danych interfejsu pod kątem różnych zastosowań. Rolę cyfrowego źródła zasilania tego interfejsu pełni VIO.

Moduł ADAQ23875 posiada cztery źródła zasilania: wewnętrzne źródło zasilania z rdzenia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), cyfrowy zasilający interfejs wejścia-wyjścia (VIO), dodatnie zasilanie wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) (VS+) i ujemne zasilanie wzmacniacza pełnoróżnicowego (VS-). Aby rozwiązać problemy z układem płytki drukowanej, mikroukład wyposażono w kondensatory odsprzęgające 0,1μF lub 0,2μF na wszystkich wtykach zasilania. Konieczne jest umieszczenie dobrej jakości ceramicznych kondensatorów odsprzęgających 2,2μF (0402, X5R) na płytce drukowanej na wyjściu regulatorów LDO. Regulatory te tworzą szyny zasilające μModule (VDD, VIO, VS i VS-), aby zminimalizować podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zmniejszyć wpływ na zakłócenia linii zasilającej. Wszystkie inne wymagane kondensatory odsprzęgające znajdują się wewnątrz urządzenia ADAQ23875. Poprawiają one całkowity współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) podukładu i pozwalają oszczędzić dodatkową przestrzeń na płytce oraz zmniejszyć koszty. Aby użyć wewnętrznego odniesienia i wewnętrznego bufora odniesienia, należy odsprzęgnąć wtyk REFIN od masy za pomocą kondensatora ceramicznego 0,1μF.

Moduł ADAQ23875 eliminuje problemy związane z doborem odpowiedniego wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) oraz sieci rezystorowej dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), jednocześnie zapewniając wysokie parametry i dobrze dopasowane wartości parametrów SNR, THD, SINAD i SFDR (odpowiednio 89,5dB, -115,8dB, 89dB i 114,3dB) (ilustracja 5). Zazwyczaj dobieranie parametrów układu należy do projektanta. Podejście systemowe przy zastosowaniu modułu ADAQ23875 pomaga projektantom osiągnąć je efektywniej.

Ilustracja 5: moduł ADAQ23875 realizuje specyfikacje SNR, THD, SINAD, SFDR, które przechodzą przez układ wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) w mikroukładzie, filtr 1. rzędu oraz przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ilustracja 5 przedstawia wyniki prób SNR, THD, SINAD i SFDR dla różnicowego sygnału wejściowego 1kHz w module ADAQ23875. W konkretnym zastosowaniu płytka EVAL-ADAQ23875FMCZ dla urządzenia ADAQ23875 wyposażana jest w oprogramowanie wspomagające ewaluację urządzeń, w którym znajdują się m.in. funkcje programowania, obrazowania przebiegu, histogramu i przechwytywania FFT. Projektanci mogą połączyć płytkę ewaluacyjną z platformą do demonstracji układów EVAL-SDP-CH1Z firmy ADI w celu zapewnienia zasilania i umożliwienia sterowania nią z poziomu komputera PC za pośrednictwem portu USB platformy SDP-CH1Z (ilustracja 6).

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna ADAQ23875FMCZ (po lewej) podłączona do płytki platformy do demonstracji układów (EVAL-SDP-CH1Z) (po prawej), umożliwiająca sterowanie płytką ewaluacyjną przez port USB komputera PC. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Oprogramowanie płytki ewaluacyjnej, wtyczka ACE do płytki ADAQ23875 1.2021.8300 [18 lutego 2021] i oprogramowanie ACE Installer 1.21.2994.1347 [8 lutego 2021], pozwalają użytkownikowi skonfigurować dla każdego kanału wartość nadpróbkowania, zakres wejściowy, liczbę próbek i dokonać wyboru aktywnego kanału. Dodatkowo oprogramowanie to umożliwia również zapisywanie i otwieranie plików z danymi testowymi.

Podsumowanie

Aby sprostać wyzwaniom szybkiego projektowania układów analogowych i zapewnić najlepszą ogólną wydajność przy akwizycji danych, projektanci mogą skorzystać z modułu ADAQ23875. Jest to kompletny układ szybkiej konwersji, który zawiera wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA), filtr dolnoprzepustowy 1. rzędu, przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) i szereg kondensatorów odsprzęgających, które wzmacniają sygnały wzbudzenia i generują odpowiednie sygnały sterujące, a także odpowiadają za filtrowanie i przesyłanie sygnałów wtórnych z powrotem. Moduł ADAQ23875 - wysoce zintegrowany moduł układu akwizycji danych pozbawia projekt analogowy „czarnej magii” dzięki kompleksowemu rozwiązaniu wykorzystującemu wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) i przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC), przeznaczonemu do szybkiej akwizycji danych, sprzętu w pętli (HiL) i analizatorów mocy.