μModule 数据采集解决方案减轻了各种精密应用的工程挑战

数据采集​​系统级挑战系统架构师和电路级硬件设计人员花费大量研发 (R&D) 资源为其终端应用（例如测试和测量、工业自动化、医疗保健或航空航天和国防）以测量和保护、调节和获取或综合和驱动。 本文将重点介绍一个精密数据采集子系统，如图 1 所示。 图 1. 高级数据采集系统框图。 电子行业的动态正在迅速发展，随着研发预算和上市时间 (TTM) 的控制变得具有挑战性，构建和原型模拟电路以验证其功能的时间越来越少。 在热和印刷电路板 (PCB) 密度限制的情况下，硬件设计人员需要先进的精确数据转换性能和更高的稳健性，以实现不断缩小的外形尺寸的复杂设计。 通过系统级封装 (SiP) 技术的异构集成继续推动电子行业的主要趋势，包括向更高密度、更多功能、增强性能和更长平均故障时间的转变。 本文将说明 ADI 如何利用异构集成来改变精密转换领域，并提供对应用产生重大影响的解决方案。 系统设计人员面临逻辑挑战，例如最终原型的组件选择和设计优化以及技术挑战，例如驱动 ADC 输入、保护 ADC 输入免受过压事件、最小化系统功率以及使用低功率微控制器和/或数字隔离器实现更高的系统吞吐量. 随着对系统软件和应用程序的日益关注以区分其系统解决方案，OEM 将更多资源分配给软件开发而不是硬件开发。 这导致硬件开发压力增加，以减少设计迭代。 开发数据采集信号链的系统设计人员通常需要高输入阻抗，以允许与各种传感器直接接口，这些传感器可能具有不同的共模电压和单极或双极单端或差分输入信号。 让我们全面了解使用分立元件实现的典型信号链，并通过图 2 中的图示了解系统设计人员的一些主要技术难点。图中显示了精密数据采集子系统的关键部分，其中 20 V pp 输出仪表放大器的电流施加到全差分放大器 (FDA) 的同相输入端。 该 FDA 提供必要的信号调节，包括电平转换、衰减信号以及将输出摆幅设置在 0 V 和 5 V 之间，共模电压为 2.5 V，相位相反，从而产生到 ADC 输入的 10 V pp 差分信号以最大化其动态范围。 仪表放大器由 ±15 V 双电源供电，而 FDA 由 +5 V/–1 V 供电，ADC 由 5 V 电源供电。 反馈电阻 (RF1 = RF2) 与增益电阻 (RG1 = RG2) 的比率将 FDA 增益设置为 0.5。 FDA 的噪声增益 (NG) 定义为： 其中 β1 和 β2 是反馈因子： 图2。 典型数据采集信号链的简化示意图。 本节将介绍 FDA 周围的电路不平衡（即 β1 ≠ β2）或反馈和增益电阻器（RG1、RG2、RF1、RF2）的失配如何影响关键规范，例如 SNR、失真、线性度、增益误差、漂移, 和输入共模抑制比。 FDA 的差分输出电压取决于 VOCM，因此当反馈因子 β1 和 β2 不相等时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出中产生不希望有的共模分量，该分量被其噪声增益放大并导致FDA 差分输出中的冗余噪声和偏移。 因此，增益/反馈电阻的比率必须匹配良好。 换句话说，输入源阻抗与RG2（RG1）的组合应该匹配（即β1 = β2），以避免信号失真，每个输出信号的共模电压不匹配，并防止共模电压的增加来自 FDA 的模式噪声。 抵消差分偏移和避免输出失真的方法之一是添加一个与增益电阻器 (RG1) 串联的外部电阻器。 不仅如此，增益误差漂移还受到电阻类型选择的影响，例如薄膜、低温度系数电阻，而在成本和电路板空间限制下，采购匹配电阻具有挑战性。 此外，由于 PCB 上的额外成本和空间限制，产生奇怪的双极电源对许多设计人员来说是不方便的。 设计人员还需要仔细选择最佳无源元件，包括 RC 低通滤波器（位于 ADC 驱动器输出和 ADC 输入之间）以及用于逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 动态参考节点的去耦电容器。 RC 滤波器有助于限制 ADC 输入端的噪声，并降低来自 SAR ADC 的容性 DAC 输入端的反冲影响。 应选择 C0G 或 NP0 型电容器和合理的串联电阻值，以保持放大器稳定并限制其输出电流。 最后，PCB 布局对于保持信号完整性和实现信号链的预期性能至关重要。 简化客户的设计之旅 许多系统设计人员最终会为相同的应用实现不同的信号链架构。 然而，一种尺寸并不适合所有人，因此 Analog Devices, Inc. (ADI) 专注于信号链、信号调理和数字化的常见部分，通过提供具有先进性能的更完整的信号链 μModule® 解决方案，弥合标准分立元件和高度集成的客户特定 IC 之间的差距，以解决他们的主要痛点。 ADAQ4003 是一种 SiP 解决方案，可在研发成本和外形尺寸缩减之间实现最佳平衡，同时加快原型制作时间。 ADAQ4003 μModule 精密数据采集解决方案将多个通用信号处理和调节模块以及关键的无源元件整合到一个使用 ADI 先进 SiP 技术的器件中（见图 5）。 ADAQ4003 包括低噪声、FDA、稳定的参考缓冲器和高分辨率 18 位、2 MSPS SAR ADC。 ADAQ4003 通过将组件选择、优化和布局从设计人员转移到设备本身，简化了信号链设计和精密测量系统的开发周期，并解决了上一节中讨论的所有主要问题。 FDA 周围的精密电阻器阵列采用 ADI 专有的 iPassives® 技术构建，该技术可解决电路不平衡、减少寄生效应、帮助实现高达 0.005% 的卓越增益匹配以及优化的漂移性能 (1​​ ppm/°C)。 与分立无源器件相比，iPassives 技术还具有尺寸优势，可最大限度地减少与温度相关的误差源并减轻系统级校准负担。 FDA 的快速建立和宽共模输入范围，以及可配置增益选项（0.45、0.52、0.9、1 或 1.9）的精确性能，允许增益或衰减调整以及全差分或单端-到差分输入。 ADAQ4003 在 ADC 驱动器和 ADC 之间包含一个单极 RC 滤波器，该滤波器旨在最大限度地提高建立时间和输入信号带宽。 还包括电压参考节点和电源所需的所有去耦电容器，以简化物料清单 (BOM)。 ADAQ4003 还包含一个以单位增益配置的参考缓冲器，以优化驱动 SAR ADC 参考节点和相应去耦电容器的动态输入阻抗。 REF 引脚上的 10 μF 是帮助在位决策过程中补充内部电容 DAC 电荷的关键要求，并且对于实现峰值转换性能至关重要。 由于包含参考缓冲器，用户可以实现比许多传统的基于 SAR ADC 的信号链低得多的功率参考源，因为参考源驱动高阻抗节点而不是 SAR 电容器阵列的动态负载。 用户可以灵活地选择与所需模拟输入范围相匹配的参考缓冲器输入电压。 图 3. ADAQ4003 μModule 器件与分立信号链解决方案的尺寸比较。 印刷电路板布局对于保持信号完整性和实现信号链的预期性能至关重要。 ADAQ4003 的引脚排列简化了布局，并允许其左侧的模拟信号和右侧的数字信号。 换句话说，这允许设计人员将敏感的模拟和数字部分分开并限制在电路板的某些区域，并避免数字和模拟信号的交叉以减轻辐射噪声。 ADAQ4003 集成了所有必需的（低等效串联电阻 (ESR) 和低等效串联电感 (ESL)）去耦陶瓷电容器，用于参考 (REF) 和电源（VS+、VS-、VDD 和 VIO）引脚。 这些电容器在高频下提供低阻抗接地路径以处理瞬态电流。 不需要外部去耦电容器，并且在没有这些电容器的情况下，没有已知的性能影响或任何 EMI 问题。 这种性能影响在 ADAQ4003 评估板上通过移除参考和 LDO 稳压器输出上的外部去耦电容器进行验证，这些稳压器产生板载电源轨（REF、VS+、VS−、VDD 和 VIO）。 图 4 显示，无论是否使用或移除外部去耦电容器，任何杂散都被掩埋在本底噪声远低于 -120 dB 的范围内。 ADAQ4003 的小外形尺寸支持高通道密度 PCB 布局，同时减轻热挑战。 但是，PCB 上各个组件的放置和各种信号的布线至关重要。 输入和输出信号的对称布线，同时使电源电路远离模拟信号路径，并在单独的电源层上使用尽可能大的走线，这对于提供低阻抗路径和减少毛刺对电源的影响尤为重要线并避免 EMI 类型问题。 图 4. 输入短路的 ADAQ4003 FFT，移除各种电源轨的外部去耦电容前后性能保持不变。 使用高阻抗 PGIA 驱动 ADAQ4003 如前所述，通常需要高输入阻抗前端才能直接连接各种类型的传感器。 大多数仪表和可编程增益仪表放大器 (PGIA) 具有单端输出，不能直接驱动全差分数据采集信号链。 不过，LTC6373 PGIA 提供全差分输出、低噪声、低失真和高带宽，可直接驱动 ADAQ4003，而不会牺牲精度性能，使其适用于许多信号链应用。 LTC6373 在输入和输出上直流耦合，具有可编程增益设置（使用 A2、A1 和 A0 引脚）。 在图 5 中，LTC6373 用于差分输入至差分输出配置和 ±15V 双电源。如果需要，LTC6373 还可用于单端输入至差分输出配置。 LTC6373 直接驱动 ADAQ4003，其增益设置为 0.454。 LTC6373 的 VOCM 引脚接地，其输出在 −5.5V 和 +5.5V 之间摆动（反相）。 ADAQ4003 的 FDA 电平转换 LTC6373 的输出以匹配所需的 ADAQ4003 输入共模，并提供利用 ADAQ2 μModule 内部 ADC 的最大 4003 × VREF 峰峰值差分信号范围所需的信号幅度设备。 图 6 和图 7 显示了使用 LTC6373 各种增益设置的 SNR 和 THD 性能，而图 8 显示了图 0.65 所示电路配置的 ±0.25 LSB/±5 LSB 的 INL/DNL 性能。 图 5. LTC6373 驱动 ADAQ4003（增益 = 0.454，​​2 MSPS）。 图 6. SNR 与 LTC6373 增益设置的关系，LTC6373 驱动 ADAQ4003（增益 = 0.454，​​2 MSPS）。 图 7. THD 与 LTC6373 增益设置的关系，LTC6373 驱动 ADAQ4003（增益 = 0.454，​​2 MSPS）。 图 8. INL/DNL 性能，LTC6373（增益 = 1）驱动 ADAQ4003（增益 = 0.454）。 ADAQ4003 μModule 应用用例：ATE 本节将重点介绍 ADAQ4003 如何非常适合 ATE 的源测量单元 (SMU) 和设备电源 (DPS)。 这些模块化仪器用于测试快速增长的智能手机、5G、汽车和物联网市场的各种芯片类型。 这些精密仪器具有灌电流/拉电流能力，这需要每个通道的控制回路负责编程的电压和电流调节，并且它们需要高精度（尤其是良好的线性度）、速度、宽动态范围（测量 μA/ μV 信号电平）、单调性和小尺寸以适应增加的并行通道数量。 ADAQ4003 具有突破性的精度性能，减少了终端系统组件数量，并在电路板空间有限的情况下提高了通道密度，同时减轻了这些类型的直流测量可扩展测试仪器的校准负担和热挑战。 ADAQ4003 的高精度与快速采样率相结合可降低噪声，而且无延迟使其成为控制环路应用的理想选择，可提供最佳阶跃响应和快速稳定以提高测试效率。 由于仪器自身的漂移和电路板空间限制，ADAQ4003 消除了用于在仪器上分配参考电压的缓冲器，从而有助于减轻设计负担。 此外，漂移性能和老化决定了测试仪器的精度，因此 ADAQ4003 的确定性漂移降低了重新校准的成本和仪器的停机时间。 ADAQ4003 满足这些要求，提升仪器测量较低电压和电流范围的能力，并帮助他们针对各种负载条件优化控制回路，这直接转化为操作规范、测试效率、吞吐量和成本的改进对于乐器。 这些仪器的高测试吞吐量和更短的测试时间直接转化为最终用户的较低测试成本。 SMU 高级框图如图 9 所示，其对应的信号链如图 5 所示。 图 9. 源测量单元简化框图。 高吞吐率可实现 ADAQ4003 的过采样，以实现最低均方根噪声并检测宽带宽上的小幅度信号。 将 ADAQ4003 过采样四倍可提供一位额外的分辨率（这是唯一可能的，因为 ADAQ4003 提供了足够的线性度——见图 8）或动态范围增加 6 dB——换句话说，由于这种过采样而改善了 DR定义为：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，单位为 dB。 ADAQ4003 的典型动态范围在 100 MSPS 时为 2 dB，对于 5 V 参考电压，其输入对地短路。 因此，当以 4003 kSPS 的输出数据速率对 ADAQ1024 进行 1.953 倍过采样时，它提供了无与伦比的~130 dB 动态范围，增益为 0.454 和 0.9，可以精确检测幅度非常小的 μV 信号。 图 10 显示了 ADAQ4003 在各种过采样率和 1 kHz 和 10 kHz 输入频率下的动态范围和 SNR。 图 10. ADAQ4003 动态范围，不同输入频率下 SNR 与过采样率 (OSR) 的关系。 图 11. 使用信号链 μModule 技术降低总拥有成本。 结论 本文介绍了与设计精密数据采集系统相关的几个关键方面和技术挑战，以及 ADI 如何利用其在线性和转换器领域的专业知识来开发高度差异化的 ADAQ4003 信号链 μModule 解决方案，以解决一些最棘手的工程问题。 ADAQ4003 减轻了组件选择和构建生产就绪原型等工程负担，同时使系统设计人员能够更快地向最终客户提供卓越的系统解决方案。 ADAQ4003 μModule 器件突破性的精密性能与小外形尺寸相结合，为专注于精密数据转换的广泛应用增加了更大的价值，这些应用包括自动化测试设备（SMU、DPS）、电子测试和测量（阻抗测量）、医疗保健（生命体征监测、诊断、成像）和航空航天（航空），以及一些工业用途（机器自动化输入/输出模块）。 ADAQ4003 等 μModule 解决方案显着降低了系统设计人员的总拥有成本（如图 11 中每个区域所示）并降低了 PCB 组装成本，通过提高批次间良率增加制造支持，实现设计重用用于可扩展/模块化平台，并简化其最终应用中的校准负担，同时加速其 TTM。

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