就數(shù)據(jù)采集、硬件在環(huán) (HiL) 和功率分析儀等系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，需要有一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換鏈，能夠在通常是高達(dá)每秒 1500 萬(wàn)次采樣 (MSPS) 的極高采樣率下具有高分辨率、高精度。然而，高速模擬設(shè)計(jì)在許多設(shè)計(jì)者看來(lái)就像“黑魔法”，尤其是在面對(duì)一系列影響信號(hào)完整性的隱蔽寄生現(xiàn)象時(shí)。
例如，典型的設(shè)計(jì)是分立的，包含幾個(gè)IC和元件，包括一個(gè)全差分放大器（FDA），一個(gè)一（1）階低通濾波器（LPF），一個(gè)電壓基準(zhǔn)，以及一個(gè)高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。電容性和電阻性寄生現(xiàn)象出現(xiàn)在 ADC 激勵(lì)放大器 (FDA)、ADC 輸入濾波器和 ADC 內(nèi)部和周圍。
消除、減少或減輕這些寄生現(xiàn)象的影響極具挑戰(zhàn)性。這需要很高的技術(shù)技能，還可能需要經(jīng)過(guò)多次電路設(shè)計(jì)和 PC 板布局迭代，必然會(huì)影響設(shè)計(jì)進(jìn)度和預(yù)算。現(xiàn)在需要的是一個(gè)更完整的集成解決方案，可以解決許多類似的設(shè)計(jì)問(wèn)題。
本文將描述一個(gè)分立式數(shù)據(jù)采集電路及相關(guān)布局問(wèn)題，然后介紹一個(gè)包含高分辨率、高速逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 與前端 FDA 的集成模塊。本文還將介紹 Analog Devices 的 ADAQ23875 完整模塊及其相關(guān)開發(fā)板是如何通過(guò)簡(jiǎn)化、加速設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)克服高速設(shè)計(jì)難題的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)所需的高分辨率、高速轉(zhuǎn)換結(jié)果。
高速數(shù)據(jù)采集信號(hào)路徑
高性能 ADC 使用差分輸入，從而通過(guò)平衡輸入信號(hào)，杜絕共模噪聲和干擾來(lái)提高整體性能。當(dāng)模擬 ADC 驅(qū)動(dòng)器和 ADC 的輸入為全差分時(shí)，模擬 ADC 驅(qū)動(dòng)器將達(dá)到最佳性能（圖 1）。使用低壓差分信號(hào) (LVDS) 串行接口（右）使系統(tǒng)能夠以極高的速度運(yùn)行，可用于數(shù)據(jù)采集、HiL 和功率分析儀應(yīng)用。
圖1：一個(gè)帶有前端FDA、一階模擬濾波器和帶有高速LVDS串行接口的差分輸入SAR-ADC的高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
圖 1 中的配置能夠執(zhí)行許多基本功能，包括幅值調(diào)節(jié)、單端到差分轉(zhuǎn)換、緩沖、共模失調(diào)調(diào)節(jié)和濾波。
FDA 驅(qū)動(dòng)技術(shù)
FDA 電壓反饋式 ADC 驅(qū)動(dòng)器的工作原理與傳統(tǒng)放大器一樣，但有兩點(diǎn)不同。首先，F(xiàn)DA 有一個(gè)差分輸出，帶一個(gè)額外負(fù)輸出端 (VON)。第二，這種器件增加了一個(gè)輸入端 (VOCM)，可用于設(shè)置輸出共模電壓（圖 2）。
圖 2：FDA 有兩個(gè)輸入，含反饋回路和輸出共模電壓的電壓控制 (VOCM)。這種配置構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)立差分輸入 (VIN, dm) 和差分輸出 (VOUT, dm) 電壓。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在內(nèi)部，F(xiàn)DA 有三個(gè)放大器構(gòu)成：兩個(gè)在輸入端，第三個(gè)則充當(dāng)輸出級(jí)。兩個(gè)內(nèi)部輸入放大器的負(fù)反饋 (RF1, RF2) 和高開環(huán)增益決定了輸入端 VA+ 和 VA- 的特性幾乎相同。FDA 不是一個(gè)單端輸出，而是在 VOP 和 VON 之間產(chǎn)生一個(gè)平衡的差分輸出，共模電壓為 VOCM。
差分輸入信號(hào)（VIP 和 VIN）基于一個(gè)共模基準(zhǔn)電壓 (VIN, cm)，幅值相等，相位相反，且采用平衡輸入信號(hào)。等式 1 和等式 2 顯示了如何計(jì)算差模輸入電壓 (VIN, dm) 和共模輸入電壓 (VIN, cm)。
等式 1
等式 2
等式 3 和等式 4 給出了輸出差分和共模的定義。
等式 3
等式 4
注意等式 4 中加入了 VOCM。
與典型的放大器電路一樣，F(xiàn)DA 系統(tǒng)的增益取決于 RGx 和 RFx 值。等式 5 和等式 6 定義了 FDA 的兩個(gè)輸入反饋因子 β1 和 β2。
等式 5
等式 6
當(dāng) β1 等于 β2 時(shí)，等式 7 給出了 FDA 的理想閉環(huán)增益。
等式 7
VOUT, dm 有助于深入了解電阻性失配性能。VOUT, dm 的一般閉環(huán)等式包括 VIP、VIN、β1、β2 和 VOCM。等式 8 顯示了 VOUT, dm 的公式，放大器的開環(huán)電壓增益表示為 A(s)。
等式 8
當(dāng) β1 ≠ β2 時(shí)，差分輸出電壓 (VOUT, dm) 的誤差主要取決于VOCM。這種非理想結(jié)果在差分輸出中會(huì)產(chǎn)生失調(diào)和過(guò)多的噪聲。如果 β1= β2≡ β，等式 8 變成等式 9。
等式 9
兩個(gè)輸出的平衡量是幅值和相位。幅值平衡用于衡量?jī)蓚€(gè)輸出幅值是否匹配；理想情況下完全匹配。相位平衡用于衡量?jī)蓚€(gè)輸出之間相位差的接近程度，理想情況下等于 180°。
FDA 穩(wěn)定性方面的考慮與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相同。關(guān)鍵規(guī)格是相位裕度。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表會(huì)給出特定放大器配置的相位裕度；然而，PC 板布局的寄生效應(yīng)會(huì)大大降低穩(wěn)定性。在負(fù)電壓反饋放大器的情況下非常明顯：穩(wěn)定性取決于其回路增益、A(s) × β、符號(hào)和幅值。相比之下，F(xiàn)DA 有兩個(gè)反饋因子。等式 8 和等式 9 的分母中都含回路增益。等式 10 描述了無(wú)匹配反饋因子情況下的回路增益（β1 ≠ β2）。
等式 10
要減小上述所有誤差，關(guān)鍵在于與分立式電阻器 RG1、RG2、RF1 和 RF2 的繁瑣而昂貴的匹配過(guò)程。
FDA 和 ADC 的綜合性能
FDA、分立電阻、一階濾波器和ADC組合講述了信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）、信噪比和失真（SINAD）以及無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），它們?cè)谡麄€(gè)電路精度和分辨率方面增加了FDA的性能特征。綜合規(guī)格包括 SNR、THD、SINAD 和 SFDR。FDA 有許多影響這些頻率規(guī)格的規(guī)格參數(shù)，如帶寬、輸出電壓噪聲、失真、穩(wěn)定性和建立時(shí)間，所有這些都會(huì)影響 ADC 的性能。ADC 有自己的一套規(guī)格參數(shù)。面臨的一大難題是如何選擇適當(dāng)?shù)?FDA 來(lái)匹配 ADC。
電路板布局
電腦板布局是設(shè)計(jì)過(guò)程的最后一步。遺憾的是，布局在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)被忽視，導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)不良，這可能會(huì)影響電路性能，甚至?xí)岆娐芬晃牟恢怠＿@個(gè)完整的分立式電路包括集成電路、六個(gè)電阻器和多個(gè)去耦電容器（圖 3）。
圖3：FDA和SAR-ADC的一階LPF與電源去耦電容。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在圖 3 中，破壞高速電路性能的寄生元素是 PC 板的寄生電容和電感。元器件焊盤、印制線、過(guò)孔和與電源平面并聯(lián)的接地是罪魁禍?zhǔn)住＿@些電容和電感在放大器的求和節(jié)點(diǎn)尤其危險(xiǎn)，因?yàn)檫@些器件會(huì)在反饋?lái)憫?yīng)中引入極點(diǎn)和零點(diǎn)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)峰值和不穩(wěn)定。
集成解決方案
SAR轉(zhuǎn)換器可以提供一個(gè)FDA，關(guān)鍵的無(wú)源元件，一階濾波器，電壓基準(zhǔn)和去耦電容，以提高有效的分辨率。例如，Analog Devices 的 ADAQ23875 是一款 16 位、15 MSPS 數(shù)據(jù)采集模塊，具有了所有這些要素（圖 4）。因此，該器件通過(guò)將元器件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)任務(wù)從設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)移到集成電路，從而縮短了精密測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)周期。
圖4： ADAQ23875簡(jiǎn)化了高速ADC的設(shè)計(jì)， ，將FDA、一階濾波器、SAR-ADC結(jié)合到一個(gè)模塊上，并由FDA周圍的激光微調(diào)增益電阻以及片上去耦電容支持。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
無(wú)源片上阻性分量具有卓越的匹配和漂移特性，能最大限度減少依賴寄生的誤差源，并提供優(yōu)化性能以確保 β1 和 β2 的緊密匹配度。這些回路增益的配有助于創(chuàng)造模塊的 ±1 毫伏 (mV) 失調(diào)和 91.6 微伏均方根 (μVRMS) 總 RMS 噪聲規(guī)格。
帶隙 2.048 V 電壓基準(zhǔn)具有低噪音和低漂移（每攝氏度百萬(wàn)分之 20 (ppm/°C)），以支持 FDA 和 16 位 ADC 系統(tǒng)。結(jié)合 FDA，這些規(guī)格轉(zhuǎn)化為 SAR-ADC 90 dB SNR 精度和 ±1 ppm/°C 增益漂移。FDA 的 VOCM 引腳使用基準(zhǔn)電壓的 2.048 V 來(lái)提供其輸出共模電壓。
內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器將 2.048 V 基準(zhǔn)電壓提高至兩倍，為 ADC 基準(zhǔn)電壓生成 4.096 V。ADC 的基準(zhǔn)電壓與 GND 之間的電壓差決定了 ADAQ23875 SAR-ADC 的滿量程輸入范圍。另外，ADAQ23875 在基準(zhǔn)緩沖器和 GND 之間有一個(gè)片上 10 微法 (μF) 去耦電容器，可吸收 SAR-ADC 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電荷尖峰并緩解分立式設(shè)計(jì)布局的限制。
如圖 4 所示，F(xiàn)DA 的輸入共模電壓與 FDA 的輸出共模電壓無(wú)關(guān)。從例 1 到例 3，電源電壓為：
VS+ = 7 V（FDA 正電源電壓）
VS- = -2 V（FDA 負(fù)電源電壓）
VDD = +5 V（ADC 電源電壓）
VIO = 2.5 V（模擬和數(shù)字輸出電源）
例 1 所示輸入電壓范圍為 ±1.024 V，輸入共模電壓為 -1 V。FDA 對(duì)這些信號(hào)施加 2 V/V 增益，F(xiàn)DA 的電平會(huì)使輸出電壓移動(dòng) VCMO 或 2.048 V。該過(guò)程給出的信號(hào)范圍為 ±2.048 V，以及來(lái)自 FDA 輸出端的 2.48 V CMO 共模電壓。一階濾波器的角頻率是1/（2pR x C）赫茲（Hz）或~78兆赫茲（MHz）。ADC 的信號(hào)輸入范圍為 ±2.048 V，共模電壓為 +2.048 V。
ADAQ23875 的 LVDS 數(shù)字接口提供單路或雙路輸出模式，允許用戶優(yōu)化每個(gè)應(yīng)用的接口數(shù)據(jù)速率。接口的數(shù)字電源是 VIO。
ADAQ23875 有四個(gè)電源：內(nèi)部 ADC 核心電源 (VDD)、數(shù)字輸入/輸出接口電源 (VIO)、FDA 正電源 (VS+) 和負(fù)電源 (VS-)。為了緩解 PC 板布局問(wèn)題，所有電源引腳都有 0.1mF 或 0.2mF 片上去耦電容器。必須在 LDO 穩(wěn)壓器輸出端的 PC 板上使用高品質(zhì) 2.2μF (0402, X5R) 陶瓷去耦電容器。這些穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生 μModule 電源軌 (VDD, VIO, VS+ 和 VS-)，可最大限度減少對(duì)電磁干擾 (EMI) 的敏感性并降低對(duì)電源線路突變的影響。所有其他所需的去耦電容器都整合在 ADAQ23875 內(nèi)部，從而改善整個(gè)子系統(tǒng)的電源抑制比 (PSRR)，并節(jié)省更多的電路板空間和成本。如需使用內(nèi)部基準(zhǔn)和內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器，用一個(gè) 0.1 μF 陶瓷電容器將 REFIN 引腳對(duì) GND 去耦。
ADAQ23875 模塊消除了為 ADC 選擇適當(dāng)?shù)?FDA 和電阻網(wǎng)絡(luò)的麻煩，同時(shí)仍然能確保高性能和嚴(yán)格的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 規(guī)格（分別為 89.5 dB、-115.8 dB、89 dB 和 114.3 dB）（圖 5）。通常情況下，由設(shè)計(jì)者來(lái)收集系統(tǒng)的各種規(guī)格參數(shù)。ADAQ23875 的系統(tǒng)方法有助于設(shè)計(jì)人員更有效地實(shí)現(xiàn)這些規(guī)格。
圖5：ADAQ23875模塊創(chuàng)建的SNR、THD、SINAD、SFDR規(guī)格，通過(guò)了片上FDA、一階濾波器和SAR-ADC。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 5 所示為 ADAQ23875 1 kHz 差分輸入信號(hào)器件的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 的測(cè)試結(jié)果。對(duì)于特定應(yīng)用，ADAQ23875 的 val-ADAQ23875FMCZ/13618511">eval-ADAQ23875FMCZ 配以軟件協(xié)助進(jìn)行器件評(píng)估，具體包括器件編程、波形、柱狀圖和 FFT 捕獲。設(shè)計(jì)者可以將評(píng)估板連接 ADI 的 val-SDP-CH1Z/3771040">eval-SDP-CH1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)，以獲得電源并允許 PC 通過(guò) SDP-CH1Z 的 USB 端口控制評(píng)估板（圖 6）。
圖 6：ADAQ23875FMCZ 評(píng)估板（左）與系統(tǒng)演示平臺(tái)（eval-SDP-CH1Z）板（右）相連接，允許通過(guò) PC 的 USB 端口控制評(píng)估板。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
使用評(píng)估板軟件，即ACE插件（Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21]）和 ACE 安裝軟件 1.21.2994.1347 [Feb 08 21]，用戶可以配置每個(gè)通道的超采樣值、輸入范圍、采樣數(shù)量并有效選擇通道。此外，該軟件還可以保存和打開測(cè)試數(shù)據(jù)文件。
結(jié)語(yǔ)
為了克服高速模擬設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)并實(shí)現(xiàn)最佳的整體數(shù)據(jù)采集性能，設(shè)計(jì)人員可以借助 ADAQ23875 模塊。這是一個(gè)完整的高速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括一個(gè)FDA、一階低通濾波器、SAR-ADC和一個(gè)去耦電容陣列，用于放大激勵(lì)信號(hào)和提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，以及二次信號(hào)的過(guò)濾和反饋。ADAQ23875 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊是一款高度集成的模塊，為高速數(shù)據(jù)采集、硬件在環(huán) (HiL) 和功率分析儀提供了完整的 FDA 至 SAR-ADC 解決方案，使設(shè)計(jì)擺脫了模擬“黑魔法”的束縛。
