數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)
系統(tǒng)架構(gòu)師和電路硬件設(shè)計(jì)人員針對(duì)最終應(yīng)用(如測(cè)試和測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康或航空航天和防務(wù))需求，往往要耗費(fèi)大量研發(fā)(R&D)資源來(lái)開(kāi)發(fā)高性能、分立式精密線性信號(hào)鏈模塊，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量和保護(hù)、調(diào)節(jié)和采集或合成和驅(qū)動(dòng)。本文將重點(diǎn)討論精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，如圖1所示。
電子行業(yè)瞬息萬(wàn)變，隨著對(duì)研發(fā)預(yù)算和上市時(shí)間(TTM)的控制日益嚴(yán)苛，用于構(gòu)建模擬電路并制作原型來(lái)驗(yàn)證其功能的時(shí)間也越來(lái)越少。在散熱性能和印刷電路板(PCB)密度受限的情況下，硬件設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)尺寸不斷縮小的復(fù)雜設(shè)計(jì)提供先進(jìn)的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能和更高的魯棒性。通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)集成，繼續(xù)推動(dòng)電子行業(yè)朝著更高密度、更多功能、更強(qiáng)性能和更長(zhǎng)的平均無(wú)故障時(shí)間的趨勢(shì)發(fā)展。本文將介紹ADI公司如何利用異質(zhì)集成改變精密轉(zhuǎn)換競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，并提供對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生重大影響的解決方案。
圖1.高級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨諸多挑戰(zhàn)，不僅需要為最終原型選擇器件并優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要滿足驅(qū)動(dòng)ADC輸入、保護(hù)ADC輸入以使其免受過(guò)壓事件影響、最大限度地降低系統(tǒng)功耗、用低功耗微控制器和/或數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)吞吐量等技術(shù)要求。隨著OEM更多地關(guān)注系統(tǒng)軟件和應(yīng)用，以打造獨(dú)特的系統(tǒng)解決方案，他們也將更多的資源分配給軟件開(kāi)發(fā)，而不是硬件開(kāi)發(fā)。這樣就增加了硬件開(kāi)發(fā)的壓力，需要進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)迭代。
開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常需要高輸入阻抗才能與各種傳感器直接接口，這些傳感器可能具有變共模電壓和單極或雙極單端或差分輸入信號(hào)。我們通過(guò)圖2全面分析一下使用分立式器件實(shí)現(xiàn)的典型信號(hào)鏈，從而了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的一些主要技術(shù)難點(diǎn)。圖中所示為精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其中20 V p-p儀表放大器輸出施加于全差分放大器(FDA)的同相輸入。此FDA提供必要的信號(hào)調(diào)理，包括電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)衰減，輸出擺幅在0 V和5 V之間，輸出共模電壓為2.5 V，相位相反，從而為ADC輸入提供10 V p-p差分信號(hào)，以最大限度地?cái)U(kuò)大其動(dòng)態(tài)范圍。儀表放大器采用±15 V的雙電源供電，而FDA由+5 V/–1 V供電，ADC由5 V電源供電。用反饋電阻(RF1 = RF2)與增益電阻(RG1 = RG2)的比值，將FDA增益設(shè)置為0.5。FDA的噪聲增益(NG)定義為：
其中β1和β2為反饋系數(shù)：
圖2.典型數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的簡(jiǎn)化原理圖
本節(jié)將探討FDA周圍的電路不平衡(即β1 ≠ β2)或反饋和增益電阻(RG1、RG2、RF1、RF2)的不匹配對(duì)SNR、失真、線性度、增益誤差、偏移和輸入共模抑制比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有何影響。FDA的差分輸出電壓取決于VOCM，因此，當(dāng)反饋系數(shù)β1和β2不相等時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì)在輸出端產(chǎn)生不良共模成分，這些共模成分以噪聲增益放大后，會(huì)導(dǎo)致FDA的差分輸出中存在冗余噪聲和失調(diào)。因此，增益/反饋電阻的比值必須匹配。換言之，輸入源阻抗和RG2 (RG1)的組合應(yīng)匹配(即β1 = β2)，以避免信號(hào)失真和各輸出信號(hào)的共模電壓失配，并防止FDA的共模噪聲增加。要抵消差分失調(diào)并避免輸出失真，可添加一個(gè)與增益電阻(RG1)串聯(lián)的外部電阻。不僅如此，增益誤差偏移還受電阻類型的影響，例如薄膜、低溫度系數(shù)電阻等，而在成本和電路板空間受限的情況下尋找匹配的電阻并不容易。
此外，由于額外成本和PCB上的空間有限，很多設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建單數(shù)雙極性電源時(shí)遇到不少麻煩。設(shè)計(jì)人員還需要仔細(xì)選擇合適的無(wú)源器件，包括RC低通濾波器(放在ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間)以及用于逐次逼近寄存器(SAR) ADC動(dòng)態(tài)參考節(jié)點(diǎn)的去耦電容。RC濾波器有助于限制ADC輸入端噪聲，并減少來(lái)自SAR ADC輸入端容性DAC的反沖。應(yīng)選擇C0G或NP0型電容和合理的串聯(lián)電阻值，使放大器保持穩(wěn)定并限制其輸出電流。最后，PCB布局對(duì)于保持信號(hào)完整性以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈的預(yù)期性能至關(guān)重要。
簡(jiǎn)化客戶的設(shè)計(jì)進(jìn)程
許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最終都是為相同的應(yīng)用設(shè)計(jì)不同的信號(hào)鏈架構(gòu)。然而，并非所有設(shè)計(jì)都適用同一種信號(hào)鏈，因此ADI公司提供具有先進(jìn)性能的完整信號(hào)鏈μModule?解決方案，專注于信號(hào)鏈、信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化的通用部分，以此彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)分立器件和高度集成的客戶特定IC之間的缺口，幫助解決主要難點(diǎn)。 ADAQ4003是SiP解決方案，較好地兼顧了降低研發(fā)成本和縮減尺寸兩方面因素，同時(shí)加快了原型制作。
ADAQ4003 μModule精密數(shù)據(jù)采集解決方案采用ADI的先進(jìn)SiP技術(shù)，將多個(gè)通用信號(hào)處理和調(diào)理模塊以及關(guān)鍵無(wú)源器件集成到單個(gè)設(shè)備中(見(jiàn)圖5)。ADAQ4003包括低噪聲、FDA、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源緩沖器和高分辨率18位、2 MSPS SAR ADC。
ADAQ4003通過(guò)將元件選擇、優(yōu)化和布局從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件本身，簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，縮短了精密測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，并解決了上一節(jié)討論的所有主要問(wèn)題。FDA周圍的精密電阻陣列使用ADI專有的iPassives?技術(shù)構(gòu)建，可解決電路不平衡問(wèn)題，減少寄生效應(yīng)，有助于實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.005%的出色增益匹配，并優(yōu)化漂移性能(1 ppm/°C)。與分立式無(wú)源器件相比，iPassives技術(shù)還具有尺寸優(yōu)勢(shì)，從而最大限度地減少了與溫度相關(guān)的誤差源，并減少了系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)工作。FDA提供快速建立和寬共模輸入范圍以及精確的可配置增益選項(xiàng)(0.45、0.52、0.9、1或1.9)性能，允許進(jìn)行增益或衰減調(diào)節(jié)，支持全差分或單端到差分輸入。
ADAQ4003在ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC之間配置了一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器，旨在最大限度地減少建立時(shí)間，增加輸入信號(hào)帶寬。此外為基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)和電源提供了所有必要的去耦電容，以簡(jiǎn)化物料清單(BOM)。ADAQ4003還內(nèi)置一個(gè)配置為單位增益的基準(zhǔn)電壓緩沖器，用于驅(qū)動(dòng)SAR ADC基準(zhǔn)電壓節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)去耦電容的動(dòng)態(tài)輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能。REF引腳上的10 μF是在位判斷過(guò)程中幫助補(bǔ)充內(nèi)部電容DAC電荷的關(guān)鍵要求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)峰值轉(zhuǎn)換性能至關(guān)重要。與許多傳統(tǒng)SAR ADC信號(hào)鏈相比，通過(guò)內(nèi)置基準(zhǔn)電壓緩沖器，由于基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)高阻抗節(jié)點(diǎn)，而不是SAR電容陣列的動(dòng)態(tài)負(fù)載，因此用戶可以實(shí)現(xiàn)功耗更低的基準(zhǔn)電壓源。而且可以靈活選擇與所需模擬輸入范圍匹配的基準(zhǔn)電壓緩沖器輸入電壓。
小尺寸簡(jiǎn)化了PCB布局并支持高通道密度
與傳統(tǒng)分立式信號(hào)鏈相比(如圖3所示)，ADAQ4003的7 mm × 7 mm BGA封裝尺寸至少縮減了4倍，可在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)小型儀器儀表。
圖3.ADAQ4003 μModule器件與分立信號(hào)鏈解決方案的尺寸對(duì)比
印刷電路板布局對(duì)于保持信號(hào)完整性以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈的預(yù)期性能至關(guān)重要。ADAQ4003的模擬信號(hào)位于左側(cè)，數(shù)字信號(hào)位于右側(cè)，這種引腳排列可以簡(jiǎn)化布局。換言之，這樣設(shè)計(jì)人員就能夠?qū)⒚舾械哪M部分和數(shù)字部分保持分離，并限制在電路板的一定區(qū)域內(nèi)，避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉以減輕輻射噪聲。ADAQ4003集成了用于基準(zhǔn)電壓源(REF)和電源(VS+、VS?、VDD和VIO)引腳的所有必要的(低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL))去耦陶瓷電容。這些電容在高頻時(shí)會(huì)提供低阻抗接地路徑，以便處理瞬態(tài)電流。
無(wú)需外部去耦電容，沒(méi)有這些電容，也就不會(huì)產(chǎn)生已知的性能影響或任何EMI問(wèn)題。通過(guò)移除用于形成板載供電軌(REF、VS+、VS?、VDD和VIO)的基準(zhǔn)電壓源和LDO穩(wěn)壓器輸出端的外部去耦電容，在ADAQ4003評(píng)估板上可以驗(yàn)證這一性能影響。圖4顯示了不論使用還是移除外部去耦電容，雜散噪聲都被隱藏在低于?120 dB的本底噪聲下。ADAQ4003采用小尺寸設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高通道密度PCB布局，同時(shí)減輕了散熱挑戰(zhàn)。但是，各器件的布局和PCB上各種信號(hào)的路由至關(guān)重要。輸入和輸出信號(hào)采用對(duì)稱路由，同時(shí)電源電路遠(yuǎn)離單獨(dú)電源層上的模擬信號(hào)路徑，并采用盡可能寬的走線，對(duì)于提供低阻抗路徑、減小電源線路上的毛刺噪聲影響以及避免EMI問(wèn)題尤其重要。
圖4.提供短路輸入ADAQ4003 FFT，在移除各個(gè)供電軌的外部去耦電容前后性能保持不變
使用高阻抗PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ4003
如前所述，通常需要高輸入阻抗前端才能直接與各種類型的傳感器連接。大多數(shù)儀器儀表和可編程增益儀表放大器(PGIA)具有單端輸出，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)全差分?jǐn)?shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。但是，LTC6373 PGIA提供全差分輸出、低噪聲、低失真和高帶寬，可直接驅(qū)動(dòng)ADAQ4003而不影響精密性能，因此適合許多信號(hào)鏈應(yīng)用。 LTC6373通過(guò)可編程增益設(shè)置(使用A2、A1和A0引腳)在輸入端和輸出端實(shí)現(xiàn)直流耦合。
在圖5中，LTC6373采用差分輸入至差分輸出配置和±15 V雙電源。根據(jù)需要，LTC6373也可采用單端輸入至差分輸出配置。LTC6373直接驅(qū)動(dòng)ADAQ4003，其增益設(shè)置為0.454。LTC6373的VOCM引腳接地，其輸出擺幅在?5.5 V和+5.5 V之間(相位相反)。ADAQ4003的FDA對(duì)LTC6373的輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以匹配ADAQ4003所需的輸入共模，并提供利用ADAQ4003 μModule器件內(nèi)ADC最大2倍VREF峰值差分信號(hào)范圍所需的信號(hào)幅度。圖6和圖7顯示使用LTC6373的各種增益設(shè)置的SNR和THD性能，而圖8顯示圖5所示電路配置的±0.65 LSB/±0.25 LSB的INL/DNL性能。
圖5.LTC6373驅(qū)動(dòng)ADAQ4003(增益 = 0.454，2 MSPS)
圖6.SNR與LTC6373增益設(shè)置，LTC6373驅(qū)動(dòng)ADAQ4003(增益 = 0.454，2 MSPS)
圖7.THD與LTC6373增益設(shè)置，LTC6373驅(qū)動(dòng)ADAQ4003(增益 = 0.454，2 MSPS)
圖8.INL/DNL性能，LTC6373(增益 = 1)驅(qū)動(dòng)ADAQ4003(增益 = 0.454)
ADAQ4003 μModule應(yīng)用案例：ATE
本節(jié)將重點(diǎn)介紹ADAQ4003如何適用于ATE的源表(SMU)和設(shè)備電源。這些模塊化儀器儀表用于測(cè)試快速增長(zhǎng)的智能手機(jī)、5G、汽車和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的各種芯片類型。這些精密儀器儀表具有拉電流/灌電流功能，每個(gè)處理程控電壓電流調(diào)節(jié)的通道都需要一個(gè)控制環(huán)路，并且它們需要高精度(特別是良好的線性度)、速度、寬動(dòng)態(tài)范圍(用于測(cè)量μA/μV信號(hào)電平)、單調(diào)性和小尺寸，以容納同時(shí)增加的通道數(shù)。ADAQ4003提供出色的精密性能，可減少終端系統(tǒng)的器件數(shù)量，并允許在電路板空間受限的情況下提高通道密度，同時(shí)減輕了此類直流測(cè)量可擴(kuò)展測(cè)試儀器儀表的校準(zhǔn)工作和散熱挑戰(zhàn)。ADAQ4003的高精度與快速采樣速率相結(jié)合，可降低噪聲，并且無(wú)延遲，因此非常適合控制環(huán)路應(yīng)用，可提供出色的階躍響應(yīng)和快速建立時(shí)間，從而提高測(cè)試效率。ADAQ4003通過(guò)消除因自身漂移和電路板空間限制而需要在儀器儀表上分配基準(zhǔn)電壓的緩沖區(qū)，幫助減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。此外，漂移性能和元件老化決定測(cè)試儀器儀表的精度，因此ADAQ4003的確定性漂移降低了重新校準(zhǔn)的成本，縮短了儀器儀表的停機(jī)時(shí)間。ADAQ4003滿足這些要求，使儀器儀表能夠測(cè)量較低的電壓和電流范圍，有助于針對(duì)各種負(fù)載條件優(yōu)化控制環(huán)路，從而明顯改善儀器儀表的工作特性、測(cè)試效率、吞吐量和成本。這些儀器儀表的高測(cè)試吞吐量和較短的測(cè)試時(shí)間將幫助最終用戶降低測(cè)試成本。SMU高級(jí)框圖如圖9所示，相應(yīng)的信號(hào)鏈如圖5所示。
圖9.源表簡(jiǎn)化框圖
高吞吐速率支持ADAQ4003的過(guò)采樣，從而實(shí)現(xiàn)較低的有效值噪聲并可在寬帶寬范圍內(nèi)檢測(cè)到小振幅信號(hào)。對(duì)ADAQ4003進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率(這是因?yàn)锳DAQ4003提供了足夠的線性度，如圖8所示)，或增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍，換言之，由于此過(guò)采樣而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ4003的典型動(dòng)態(tài)范圍在2 MSPS時(shí)為100 dB，對(duì)于5 V基準(zhǔn)電壓源，其輸入對(duì)地短路。因此，ADAQ4003在1.953 kSPS輸出數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行1024倍過(guò)采樣時(shí)，它提供約130 dB的出色動(dòng)態(tài)范圍，增益為0.454和0.9，可以精確地檢測(cè)出幅度極小的μV信號(hào)。圖10顯示了ADAQ4003在各種過(guò)采樣速率和1 kHz及10 kHz輸入頻率下的動(dòng)態(tài)范圍和SNR。
圖10.ADAQ4003各種輸入頻率下的動(dòng)態(tài)范圍以及SNR與過(guò)采樣速率(OSR)
圖11.使用信號(hào)鏈μModule技術(shù)降低總擁有成本
結(jié)論
本文介紹了與設(shè)計(jì)精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的一些重要方面和技術(shù)挑戰(zhàn)，以及ADI公司如何利用其線性和轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域知識(shí)開(kāi)發(fā)高度差異化的ADAQ4003信號(hào)鏈μModule解決方案，來(lái)解決一些棘手的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。ADAQ4003能夠減輕工程設(shè)計(jì)工作，如器件選擇和構(gòu)建可投入量產(chǎn)的原型，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠更快地為最終客戶提供出色的系統(tǒng)解決方案。ADAQ4003 μModule器件出色的精度性能和小尺寸對(duì)各種精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用頗具實(shí)用價(jià)值，具體應(yīng)用包括自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(SMU、DPS)、電子測(cè)試和測(cè)量(阻抗測(cè)量)、醫(yī)療健康(生命體征監(jiān)測(cè)、診斷、成像)和航空航天(航空)等，以及一些工業(yè)用途(機(jī)器自動(dòng)化輸入/輸出模塊)。ADAQ4003等μModule解決方案可顯著降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的總擁有成本(如圖11所示的各項(xiàng))，降低PCB組裝成本，通過(guò)提高批次產(chǎn)量增強(qiáng)生產(chǎn)支持，支持可擴(kuò)展/模塊化平臺(tái)的設(shè)計(jì)重用，還簡(jiǎn)化了最終應(yīng)用的校準(zhǔn)工作，同時(shí)加快了上市時(shí)間。
作者簡(jiǎn)介
Maithil Pachchigar是ADI公司在美國(guó)馬薩諸塞州威明頓市的精密技術(shù)和平臺(tái)部門的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。2010年加入ADI公司以來(lái)，他致力于儀器儀表、工業(yè)和醫(yī)療健康行業(yè)的精密轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合工作和客戶支持。自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作，并已獨(dú)立及合作發(fā)表多篇技術(shù)文章。Maithil于2003年獲印度S.V.國(guó)家技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年獲圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，2010年獲硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。
