השתמש בבחירה קפדנית של רכיבים, טופולוגיה ופריסה כדי להשיג דיוק שרשרת-אותות בן 7.5 ספרות

בעוד דרישות רזולוציית-קריאה רבות יכולות להסתפק בארבע או אפילו חמש ספרות, יישומים כגון רבי-מודדים דיגיטליים בדירוג מעבדה (DMMs), כיול מד-שדה, מאזני שקילה/מאזני מעבדה ומכשור סייסמי דורשים דיוק גבוה יותר עם תצוגה משמעותית של 7.5 (½7) ספרות. ביצועים אלה נדרשים כדי למדוד בדייקנות שינויי אותות תדר-נמוך קטנים בנוכחות אותות DC והיסטים (offsets) גדולים בלתי-נמנעים.

השגת רמת דיוק זו דורשת מאמץ רב-גוני עם תשומת לב קפדנית לגורמים הקשורים לבחירת רכיבים ומימוש פיזי. מתכננים חייבים להבין את המקורות הרבים לשגיאות פוטנציאליות, ההשלכות של התנהגות בטווח קצר וארוך, ויציבות מעגל.

מאמר זה סוקר בקצרה את סוגיות התכנון הקשורות לפיתוח קריאה משמעותית ומדויקת של אותות אנלוגיים שהיא מדויקת עד 7.5 ספרות. אחר כך הוא מציג רכיבים מתאימים מבית Analog Devices‏ בהם מתכננים יכולים להשתמש כדי להשיג ביצועים אלה.

בחירת רכיבים עבור קריאות בדיוק גבוה

מערכת דיוק-גבוה מתחילה עם הרכיבים האקטיביים והפסיביים שלה. בעוד אינטגרציה גבוהה יכולה לפשט תכנון ופריסה כדי לספק רמה מובטחת של ביצועים, מתכננים לרוב יכולים להשיג ביצועים גבוהים יותר על ידי שימוש במעגלים משולבים (ICs) חד-תכליתיים, ממוטבים, בסידור ופריסה פיזית מתאימים. תהליכים, ייצור, בעיות ושיפועים תרמיים ואריזה ומאמצים נלווים של רכיבים אלה ניתנים להתאמה אופטימלית לדרישות היישום.

בלב מערכת‏ דיוק-גבוה של 7.5-ספרות (איור 1‏) נמצאים קדם-מגבר, נגדי קביעת הגברה מתואמים, ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) ומתח ייחוס.

איור 1: במרכז שרשרת אותות של מערכת 7.5-ספרות נמצאים קדם-מגבר, נגדי קביעת הגברה, ממיר ADC ומתח ייחוס. (מקור תמונה: Analog Devices, מותאמת על ידי Bill Schweber)

האות האנלוגי רמה-נמוכה נשלח לקדם-מגבר‏ רעש-נמוך, היכן שנגדים מדויקים מתואמים קובעים את ההגברה. ייתכן שיש גם מסנן הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). אחר כך האות המוגבר עובר דרך ממיר ADC רזולוציה-גבוהה, שמספק ערכים דיגיטליים תוך שימוש במתח ייחוס מדויק עבור דיוק. היציאה המומרת מועברת לתהליך המערכת באחד מהפורמטים I/O הרבים.

קדם-המגבר: כאן, שני פרמטרים קריטיים הם רעש וסחיפה, שמשפיעים על עקביות ודיוק. מועמד קדם-מגבר מתאים אחד הוא ה-ADA4523-1BCPZ-RL7 (איור 2‏, שמאל), מגבר שרת (op amp) ‏36‎ V ‏8‏-רגליים מוליכות, רעש-נמוך, סחיפה-אפס. מגבר שרת זה מציע ביצועי DC‏ מדויקים בתחום הספקה רחב של ‎4.5 V עד ‎36 V‏. מתח היסט (Offset) ורעש f‏/1‏ מדוכאים, מה שמאפשר לו להשיג מתח היסט מקסימלי של ‏‎±4 μV ומתח רעש כניסה שיא-לשיא (p-p) אופייני של ‎88 nV בתדירויות מ-‎0.1 Hz עד ‎10 Hz. ההתקן מגיע במארז הרכבה-משטחית של‏ 8‏-רגליים מוליכות, ומוצגת (איור 2‏, ימין) צפיפות רעש מתח מיוחס-כניסה שלו מקרוב ל-DC עד ‎10 MHz.

איור 2: ה-ADA4523-1BCPZ-RL7 (שמאל) ארוז במארז הרכבה-משטחית של‏ 8‏-רגליים מוליכות; מוצגת (ימין) צפיפות רעש מתח מיוחס-כניסה שלו מקרוב ל-DC עד ‎10 MHz. (מקור תמונה: Analog Devices)

מעגל הכיול העצמי של ה-ADA4523-1BCPZ-RL7 המיוצב-קוצץ מניב סחיפת מתח-היסט נמוכה עם טמפרטורה (מקסימום ‎0.01 μV/°C) וסחיפה-אפס לאורך זמן. נוסף לכך, ה-ADA4523-1BCPZ-RL7 משתמש בסינון על-השבב כדי להשיג חסינות גבוהה ל-EMI.

נגדי קביעת הגברה: לרוב נדרש הגבר ניתן-לתכנות כדי לתאם את המעגל ל‏אמפליטודות אות כניסה ופורמטים שונים. עבור ביצועים מדויקים, חשוב יותר ששני נגדי קביעת ההגברה יהיו מתואמים והם יעקבו מקרוב אחד אחר השני עם שינויי טמפרטורה, מהיותם בעלי הערך המוחלט הנכון. התקן עצמאי הכולל זוגות אלה יכול בדרך כלל לספק ביצועים טובים יותר מנגדים המשולבים בפרוסת המוליך-למחצה של המגבר.

לדוגמה, ה-LT5401AHMSE#PBF (איור 3‏, שמאל) היא רשת נגדים מתואמים‏ דיוק-גבוה ממוטבת לשימוש עם מגברים דיפרנציאליים מלאים, עם מפרטי תאום מצויינים בכל תחום הטמפרטורות. היא כוללת שתי מחרוזות של‏ נגדים מתואמים, כשכל אחת מספקת שלוש נקודות מסעף. שימוש בזוג מגברי שרת ADA4523-1BCPZ-RL7 ‏ובנגדי קביעת הגבר אלה מאפשר את קבלת התצורה הרצויה של המגבר (איור 3‏, ימין). היחסים המתואמים המתקבלים מתאימים היטב לקביעה מדויקת‏ של הגבר או הנחתה של מגבר דיפרנציאלי.

איור 3‏: ה-LT5401AHMSE#PBF (שמאל) כולל שלושה זוגות של נגדים‏ מתואמים; הוא חלק עיקרי בדרגת הגבר דיוק-גבוה ניתנת לתכנות הכוללת שני מגברי ADA4523-1BCPZ-RL7 (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices‏, מותאמת על ידי Bill Schweber)

בין תכונות הדיוק והיציבות העיקריות של ה-LT5401AHMSE#PBF ניתן למנות:

• תאום יחס נגדים 0.003% (מקסימלי)
• ‎יחס דחיית אות משותף (CMRR)‏ ‎96.5 dB (מינימלי)
• שגיאת הגבר 25‎ ppm± (מקסימלית)
• סחיפת טמפרטורה תואמת ‎±0.5 ppm/°C (מקסימלית)
• סחיפת טמפרטורה של ערך נגד מוחלט ‎8 ppm/°C‏
• יציבות ארוכת-טווח <‎8 ppm ב-6,500 שעות

ממיר ה-ADC: לאחר שהאות הוגבר ואוכשר, הוא מוכן להמרה לדיגיטלי. בעוד ישנם ממירי ADC‏ רבים עם ארכיטקטורות ותכונות שונות, גישת הסיגמא-דלתא מתאימה היטב עבור יישומים מדויקים כיוון שהיא‏ יכולה לספק איזון בין זמן המרה ורזולוציה.

דוגמה ל-ADC מתאים היא ‏ה-AD7177-2BRUZ-RL7 (איור 4‏), ממיר מרובב רעש-נמוך 32‎-bit‏, ‏10‏ קילו-דגימות/שנייה (ksps), עם זמן התייצבות של ‏100‏ מיקרו-שנייה (µs‏) וחוצצי כניסה פס-לפס המקלים על ההתממשקות ליציאת הקדם-מגבר. ערוצי הכניסה המרובים שלו ניתנים לסידור כשני ערוצים דיפרנציאליים במלואם או ארבעה ערוצי קצה-יחיד (Single-Ended‏) באמצעות מרבב הנקודות הצולבות שלו.

איור 4‏: ממיר ה-ADC סיגמא-דלתא הרב-ערוצי AD7177-2BRUZ-RL7‏ מתאפיין ברזולוציית המרה גבוהה וגמישות תצורה של ערוצי הכניסה. (מקור תמונה:: Analog Devices‏)

שים לב שבעוד הוא התקן משולב ביותר, אינטגרציה זו אינה פוגעת בביצועים האנלוגיים המדויקים, מכיוון שחלק גדול ממנו נמצא בצד ה-I/O והדיגיטלי. ערוצי הכניסה המרובים שימושיים בגלל שיישומי דיוק-גבוה רבים דורשים השוואה בין ערוצים סמוכים או שימוש בערוץ אחד עבור קריאות התחלתיות בתרחישי איסוף נתונים של העולם האמיתי.

ממיר זה מספק גם מסנן דחייה ‎85 dB של הפרעות ‎50 Hz ו-‎60 Hz כדי לשמור על שלמות אות (signal integrity) ועושה זאת עם זמן התייצבות של ‎50 ms. הוא‏ כולל גם מתח ייחוס משולב‏ של ‎2.5 V‏ (סחיפה של ‎±2 ppm/°C‏) ויכול להשתמש בשעון הפנימי שלו לתזמון המרות או להשתמש בשעון חיצוני. בעוד מתח הייחוס על-השבב יותר ממתאים ליישומים רבים, הוא לא מקובל ביישומים הדורשים דיוק גבוה יותר. לכן, ה-AD7177-2BRUZ-RL7‏ מאפשר למשתמש לספק‏ במקרה הצורך מתח ייחוס חיצוני.

מתח הייחוס: ביצועי מתח הייחוס הם האלמנט הקובע בשרשרת האותות. מתח ייחוס פנימי עבור ממיר ה-ADC ‏מועיל ברוב המקרים, מכיוון שהוא מפחית את מספר הרכיבים, חוסך נדל"ן על הלוח ומבטיח רמה‏ מוגדרת של‏ ביצועי ממיר.

עם זאת, מתח ייחוס על-שבב אינו יכול להשתוות לביצועים של התקן עצמאי ייעודי, שמתוכנן, מיוצר, מקוצץ ונבדק לעשות דבר אחד ולעשותו היטב: לספק מתח מדויק ויציב מאוד ובעל רעש נמוך מאוד. למעט בכמה מקרים יוצאים מן הכלל, הדיוק והיציבות של המערכת אינם יכולים לעלות על אלה של מתח הייחוס. עם זאת, השפעות שגיאה מסדר שני ושלישי, כמו מאמצי פיסת סיליקון ומארז מחימום-עצמי ושיפועים תרמיים, יכולות להשפיע על ביצועי מתח ייחוס.

מסיבה זו, Analog Devices‏ מציעה את ה-ADR1399, מתחי ייחוס מדויקים עם התכנון, התהליך והמארז ממוטבים במיוחד עבור פונקציה יחידה זו. כד לשפר עוד יותר את ביצועיהם, מתחי הייחוס שלהם עם הדיוק הגבוה ביותר כוללים גוף חימום משולב כדי לשמור על טמפרטורה קבועה, מאחר ולשינויי טמפרטורה יש השפעה משמעותית על יציבות.

רכיבי ה-ADR1399 הם מעגלים-משולבים (ICs) מתח-ייחוס Zener Shunt קבור מדויק עם יציאה קבועה של ‎7.05 V, המתאפיינים ביציבות טמפרטורה מצוינת בתחום רחב של מתחים, טמפרטורות ותנאי זרם רוגע. חוג מייצב-טמפרטורה משולב עם הזנר הפעיל‏ על מצע מונוליטי, שמונע כמעט לגמרי שינויים במתח עם טמפרטורה.

מעגל הזנר בתת-פני-השטח מוגדר במלואו בזרם רוגע של 3 מיליאמפר (mA‏‏) ומציע רעש אולטרה-נמוך של‏ ‎1.44 μV p-p‏ מ-‏0.1‏ עד ‎10 Hz‏, ו-‎1.84 µV_RMS מ-‎10 Hz‏ עד ‎1 kHz‏. יש לו גם מקדם טמפרטורה נמוך במיוחד של‎‎0.2 ppm/℃ ‎ יחד עם יציבות ארוכת-טווח מצוינת של ‎7 ppm/root kilohours‏ (ppm/√kHrs).

קיימות שתי גרסאות של התקן זה. ה-ADR1399KHZ (איור 5‏, למעלה, שמאל) הוא במארז TO-46 אטום הרמטית, פשוט של 4‏-פינים, הממוקם בתוך מבודד תרמי מפלסטיק. המבודד עוזר לשמור על תנודות סביבה מינימליות, מפחית את ההספק הדרוש של גוף החימום.

בניגוד לכך, ה-ADR1399KEZ (איור 5‏, למטה, שמאל) הוא במארז‏ לא-מבודד של 8‏-פינים להרכבה-משטחית מסוג leadless chip carrier‏ (LCC). שניים מארבעת הפינים הנוספים אינם מחוברים פנימית, בעוד השניים האחרים מפצלים את הייחוס הפעיל לפעולת כוח וחישה של חיבור Kelvin כדי לאפשר דיוק גבוה יותר. ההשפעה של סוג‏ המארז על מתח ייחוס כנגד טמפרטורה מראה את ההבדל הזניח בין ה-ADR1399KHZ במארז TO-46 (איור 5‏, למעלה, ימין) וה-ADR1399KEZ ב-LCC (איור 5‏, למטה, ימין).

איור 5: ההשפעה של סוג‏ המארז (שמאל) על מתח ייחוס כנגד טמפרטורה מראה את ההבדל הזניח בין ה-ADR1399KHZ במארז TO-46 (למעלה, ימין) וה-ADR1399KEZ ב-LCC (למטה, ימין). (מקור תמונה: Analog Devices)

טופולוגיית מעגל

כדי להשיג דיוק, מתכננים חייבים גם להשתמש בטופולוגיות וארכיטקטורות המפחיתות או אפילו מבטלות אינהרנטית מקורות שגיאה. אותות מסוימים עשויים להזדקק לתצורות דיפרנציאליות כדי לאזן ולבטל רעש מושרה. נגדי מעקב מתואמים, כפי שצוין, יכולים לשפר ביצועים דיפרנציאליים במגבר, במיוחד ביחס לטמפרטורה. יתר על כן, גשר ה-Wheatstone‏ בעל ארבעת-הזרועות משמש‏ לעתים קרובות ליצור סידור מדידה‏ מבוסס יחס, היכן שסחיפות בלתי-רצויות בזרועות הגשר מבטלות אחת את השנייה ומשאירות רק את אות העניין.

מימוש פיזי

הבנייה הפיזית של תכן מדויק משחקת תפקיד חשוב בביצועים. ישנם גורמים רבים לקחת בחשבון, כולל סיכוך EMI‏ ותופעות צמד-תרמי. כל חיבור של מתכות שונות יוצר צומת תרמו-אלקטרי, מיצר מתח תלוי-טמפרטורה קטן (ראה תופעת ‏Seebeck). אלה יכולים להיות מקור שגיאה דומיננטי במעגלים עם סחיפה נמוכה. מחברים, מתגים, מגעי ממסר, שקעים‏, נגדים, והלחמה הם כולם מועמדים ליצר כוח אלקטרו-מניע (EMF) תרמי משמעותי.

אפילו צמתים של חוטי נחושת מיצרנים שונים יכולים ליצר מתחי EMF‏ של ‎200 nV/°C, שהוא יותר מפי 10 מפרט הסחיפה המקסימלית של‏ ה-ADA4523-1BCPZ-RL7. איור 6 ממחיש את הגודל הפוטנציאלי של מתחי EMF ואת רגישותם לטמפרטורה.

איור 6: מוצגים מתחי ה-EMF התרמי המופקים על ידי הצומת של שני חוטי נחושת מיצרנים שונים (שמאל) ולחם (solder)-לנחושת (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices)

כמובן הארקות המעגל המרובות הם שיקול מרכזי. הארקות אנלוגיות ודיגיטליות נפרדות, עכבה-נמוכה, משמעותיות, הן חיוניות. יש למפות את זרמי הזרם ולכוון אותם הרחק מאזורים רגישים, עם נקודת חיבור אחת בלבד בין שני סוגי ההארקה. חלים גם השיקולים הרגילים לגבי השימוש בקבלים עוקפים הממוקמים בקפידה בין פסי כוח והארקות בסמוך לעומסים שלהם.

כיול

נראה כי כיול היחידה הסופית הוא הדרך הישירה ביותר לפתור בעיות דיוק ויציבות, אבל זה בדרך כלל לא המקרה. כיול לרמה זו של דיוק רזולוציה דורש סטנדרט יקר ביותר עם התקנה מסודרת בקפידה והוא תהליך גוזל זמן. היחידה תזדקק גם לכיול מחדש תקופתי במחזור מוגדר.

תוצאות כיול משמשות במספר דרכים לתקן או לקזז שגיאות קריאה. כיול הוא אפקטיבי ביותר עבור אימות ביצועים של‏ תכן, ולא כטקטיקה להשגת מטרות רצויות.

סיכום

השגת דיוק משמעותי עד 7.5 ספרות היא אתגר‏ משמעותי בתכנון אנלוגי ואותות מעורבים. פתרון התכנון חייב לשלב את הרכיבים, טופולוגיית המעגל, הפריסה הפיזית הנכונים ואת הכיול המתאים. רכיבים, מומחיות ותמיכה ביישומים ברמה העליונה מבית Analog Devices, בשילוב עם תשומת לב קפדנית לדקויות התכנון מאפשרים עמידה באתגר זה.