השתמשו במודולים עם מגברים משולבים כדי להסיר את ה"מאגיה השחורה" מתכנון ADC במהירות גבוהה

מתכנני מערכות כגון קליטת נתונים, Hardware-In-the-Loop‏ (HiL‏) ואנאלייזרי הספקת-כוח זקוקים לשרשרת ממיר אותות אנלוגיים שיכולה להשיג רזולוציה גבוהה ודיוק גבוה בקצב דגימה גבוה ביותר, לעיתים עד 15 מגה דגימות לשנייה (MSPS‏). עם זאת, תכנים אנלוגיים במהירות גבוהה יכולים להיראות כמו "מאגיה שחורה" בעיני מתכננים רבים, במיוחד כאשר הם מתמודדים עם סדרה של אפקטים פרזיטיים נסתרים המשפיעים על תקינות האותות.

לדוגמה, תכנים טיפוסיים הם בדידים ומכילים מספר מעגלים-משולבים (IC‏) ורכיבים, כולל מגבר דיפרנציאלי במלואו (FDA), מסנן מעביר-נמוכים (LPF) מסדר ראשון (¹), ייחוס מתח וממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) במהירות גבוהה ועם רזולוציה גבוהה. האפקטים הפרזיטיים הקיבוליים וההתנגדותיים הם בתוך ומסביב למגבר דוחף ADC‏ (ה- FDA‏), מסנן הכניסה של ה- ADC‏ וה- ADC‏ עצמו.

ביטול, הפחתה או מיתון ההשפעות של אפקטים פרזיטיים אלה הם מאתגרים. זה דורש מיומנות גבוהה ויכול לדרוש מחזורי תכנון רבים של מעגלים ופרישת לוחות מעגלים מודפסים, תוך התפשרות על לוחות הזמנים והתקציבים. מה שנדרש הוא פתרון שלם ומשולב יותר הפותר רבות מבעיות תכנון אלו.

מאמר זה יתאר מעגל קליטת נתונים עם רכיבים בדידים ונושאי פרישה קשורים, ואז יציג מודול משולב המכיל ADC ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה מסוג רגיסטר קירוב-עוקב (SAR‏) עם קצה-קדמי FDA‏. המאמר מראה כיצד המודול השלם ADAQ23875‏ ולוח הפיתוח הקשור אליו מבית Analog Devices‏ מתגברים על כאבי הראש של תכני מהירות גבוהה הודות לפישוט והאצה של תהליך התכנון תוך השגת תוצאות ההמרה הנדרשות ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה.

מסלול האותות של קליטת נתונים במהירות גבוהה

ממירי ADC‏ עם ביצועים עיליים משתמשים בכניסות דיפרנציאליות לשיפור הביצועים הכוללים על ידי איזון אותות הכניסה ודחיית רעש והפרעות אופן-משותף (CM‏). דוחף ADC‏ אנלוגי משיג ביצועים אופטימליים כאשר הכניסות לדוחף ADC‏ אנלוגי ול- ADC‏ הן דיפרנציאליות במלואן (איור 1‏). השימוש בממשק טורי מסוג איתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS‏) (מימין) מאפשר למערכת לפעול במהירויות גבוהות ביותר כדי לשרת יישומי קליטת נתונים, HiL‏ ואנאלייזר הספקת-כוח.

איור 1‏: מערכת קליטת נתונים בתדר גבוה עם קצה-קדמי FDA‏, מסנן אנלוגי מסדר ראשון (¹) ו- SAR ADC‏ עם כניסה דיפרנציאלית וממשק טורי LVDS‏ במהירות גבוהה. (מקור התמונה: Bonnie Baker)

התצורה באיור 1 מבצעת פונקציות חיוניות רבות, כולל שינוי האמפליטודה, המרת קצה-יחיד (Single-Ended) לדיפרנציאלי, חציצה (Buffering), כיוונון היסט (Offset) אופן-משותף (CM‏) וסינון.

טכנולוגיית דוחף FDA‏

פעולת דוחף ADC‏ עם משוב מתח FDA‏ היא בדומה למגבר מסורתי להוציא שני הבדלים. ראשית, ל- FDA יש יציאה דיפרנציאלית עם הדק יציאה שלילית נוסף (_ON‏V). שנית, יש לו הדק כניסה נוסף (_OCM‏V) שמגדיר את מתח אופן-משותף של היציאה (איור 2).

איור 2‏: ל- FDA יש שתי כניסות עם חוגי משוב ובקרת מתח (_OCM‏V‏) של מתח אופן-משותף של היציאה. תצורה זו יוצרת מתחי כניסה דיפרנציאלית (_{dm‏ ,IN‏}V‏) ויציאה דיפרנציאלית (_{dm‏ ,OUT‏}V‏) בלתי-תלויים. (מקור התמונה: Analog Devices)

פנימית, ל- FDA יש שלושה מגברים: שניים בכניסה ושלישי המשמש כדרגת היציאה. המשוב השלילי (_F2‏R‏ ,_F1‏R‏) והגבר החוג-הפתוח הגבוה של שני מגברי הכניסה הפנימיים מכתיבים את ההתנהגות של הדקי הכניסה, +VA ו- -VA, כך שהם למעשה שווים. במקום יציאת קצה-יחיד (Single-Ended), ה- FDA‏ מייצר יציאה דיפרנציאלית מאוזנת בין _OP‏V‏ ו- _OP‏V‏, עם מתח אופן-משותף של _OCM‏V‏.

אותות הכניסה הדיפרנציאליים (_IP‏V‏ ו- _IN‏V‏) הם שווים באמפליטודה והפוכים בפאזה סביב מתח ייחוס אופן-משותף (_{cm‏ ,IN‏}V‏) עם אות כניסה מאוזן. משוואות 1 ו- 2 מראות כיצד לחשב את מתח כניסת אופן-הפרשי (_{dm‏ ,IN‏}V‏) ואת מתח כניסת אופן-משותף (_{cm‏ ,IN‏}V‏).

משוואה 1

משוואה 2

משוואות 3 ו -4 מספקות את הגדרות האופן-הדיפרנציאלי והאופן-המשותף ביציאה.

משוואה 3

משוואה 4

שימו לב לתוספת של _OCM‏V‏ במשוואה 4.

כמו במעגלי מגבר טיפוסיים, ההגבר של מערכת ה- FDA תלוי בערכי _Gx‏R ו- _Fx‏R‏. משוואות 5 ו- 6 מגדירות את שני גורמי משוב הכניסה, _1‏β‏ ו- _2‏β‏, עבור ה- FDA‏.

משוואה 5

משוואה 6

כאשר _1‏β‏ שווה ל- _2‏β‏, משוואה 7 נותנת את הגבר החוג-הסגור עבור ה- FDA‏.

משוואה 7

ה- _{OUT, dm‏}V‏ מספק תובנה לגבי הביצועים של אי-תאום התנגדותי. משוואת החוג-הסגור הכללית עבור _{OUT, dm‏}V‏ כוללת _IP‏V‏, _IN‏V‏, _1‏β‏, _2‏β‏ ו- _OCM‏V‏. משוואה 8 מציגה את הנוסחה ל- _{OUT, dm‏}V‏ עם הגבר מתח חוג-פתוח של המגבר המוצג כ- (A(s‏.

משוואה 8

כאשר _2‏β‏ ≠ _1‏β‏, שגיאת מתח היציאה הדיפרנציאלי (_{OUT, dm‏}V‏) תלויה בעיקר ב- _OCM‏V‏. תוצאה לא-רצויה זו מייצרת היסט (Offset) ויותר רעש ביציאה הדיפרנציאלית. אם β₁ = β₂ ≡ β, משוואה 8 הופכת למשוואה 9‏.

משוואה 9

שני רכיבי איזון היציאה הם האמפליטודה והפאזה. איזון האמפליטודה מודד אם שתי אמפליטודות היציאה תואמות; באופן אידיאלי, הן תואמות בדיוק. איזון הפאזות מודד עד כמה הפרשי הפאזה בין שתי היציאות קרובים להפרש האידיאלי השווה ל- °‏180‏.

שיקולי היציבות של ה- FDA הם אותם כמו עבור מגברי שרת סטנדרטיים. המפרט העיקרי הוא מרווח הפאזה. גיליונות הנתונים של המוצרים מספקים את מרווח הפאזה של תצורת מגבר מסוימת; עם זאת, ההשפעות הפרזיטיות של לוח המעגלים המודפסים יכולות להפחית באופן משמעותי את היציבות. במקרה של מגבר משוב מתח שלילי, זה פשוט למדי: היציבות תלויה בהגבר החוג שלו, A(s) × β, בסימן ובגודל. לעומת זאת, ל- FDA שני גורמי משוב. למשוואות 8 ו- 9 יש הגבר חוג במכנים שלהן. משוואה 10 מתארת את הגבר החוג עבור המקרה של גורם משוב לא-תואם (β1 ≠ β2).

משוואה 10

המניעהשל כל השגיאות לעיל תלויה בתהליך תיאום מייגע ויקר עם הנגדים הבדידים _G1‏R‏, _G2‏R‏, _F1‏R‏ ו- _F2‏R‏.

הביצועים המשולבים של ה- FDA‏ וה- ADC‏

השילוב של נגדים בדידים, מסנן מסדר ראשון (^1‏) וה- ADC‏ מספר את הסיפור של יחס אות-לרעש (SNR), עיוותים הרמוניים כוללים (THD‏), יחס אות-לרעש ועיוותים (SINAD‏) ותחום דינמי חופשי מאותות לא-רצויים (SFDR‏) המוסיפים למאפייני הביצועים של ה- FDA‏ מבחינת סה"כ הדיוק ורזולוציית המעגל. המפרט המשולב כולל את ה- SNR, THD, SINAD ו- SFDR. ל- FDA יש מפרטים רבים המשפיעים על מפרטי התדרים הללו, כגון רוחב-פס, רעש מתח יציאה, עיוותים, יציבות וזמן התייצבות, כל אלה משפיעים על ביצועי ה- ADC. ל- ADC יש סט מפרטים משלו. האתגר המשמעותי הוא לבחור את ה- FDA הנכון שיתאים ל- ADC.

פרישת הלוח

פרישת לוח המעגלים המודפסים היא השלב האחרון בתהליך התכנון. למרבה הצער, הפרישה יכולה להיות צעד תכנוני שממנו מתעלמים, וכתוצאה מכך תכנון לוח לקוי העלול לפגוע או להפוך את המעגל לחסר תועלת. למעגל שלם מרכיבים בדידים הזה יש שלושה מעגלים משולבים, שישה נגדים וקבלי ביטול-צימוד (Decoupling) רבים (איור 3).

איור 3: ה- FDA ו- SAR ADC עם LPF מסדר ראשון (^1‏) עם קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) הספקת-הכוח. (מקור התמונה: Analog Devices)

באיור 3, האלמנטים הפרזיטיים המערערים את ביצועי המעגל במהירות גבוהה הם הקיבוליות וההשראות הפרזיטיות של לוח המעגלים המודפסים. האשמים הם רכיבי פדים, פסים מוליכים, מעברים (Vias) והארקה במקביל עם שכבות הספקת-הכוח. קיבוליות והשראות אלו מסוכנים במיוחד בצמתים המסכמים של המגבר שם הם מציגים קטבים ואפסים בתגובת המשוב, וגורמים לשיאים אי-יציבות.

הפתרון המשולב

ממירי SAR יכולים להציע FDA, רכיבים פסיביים חיוניים, מסנני סדר ראשון (^1‏), ייחוס מתח וקבלי ביטול-צימוד (Decoupling) כדי לשפר את הרזולוציה האפקטיבית. לדוגמה, ה- ADAQ23875 מבית Analog Devices הוא מודול קליטת נתונים Bit‏-16‏, 15‎ MSPS עם כל האלמנטים הללו (איור 4). ככזה, הוא מקצר את מחזור הפיתוח של מערכות מדידה מדויקות על ידי העברת עומס התכנון של בחירת רכיבים, אופטימיזציה ופרישה מהמתכנן למעגל המשולב.

איור 4‏: ה- ADAQ23875‏ המפשט את התכנון של ממירי ADC‏ במהירות גבוהה על ידי שילוב של SAR ADC‏ עם מסנן מסדר ראשון (^1‏) על גבי מודול יחיד הנתמך על ידי נגדי הגבר בחיתוך לייזר סביב ה- FDA‏, כמו גם קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) על-השבב. מקור התמונה: Analog Devices)

לרכיבים ההתנגדותיים הפסיביים על-השבב יש מאפייני תיאום וסחיפה מעולים כדי להקטין למינימום מקורות שגיאה תלויי אפקטים פרזיטיים והם מציעים ביצועים ממוטבים להבטחת תיאום קרוב של ₁β‏ ו- ₂β‏. התיאום של הגברי חוג אלו מסייע ליצירת ההיסט (Offset) של ‏1‏± מילי-וולט (mV‏) ומפרט רעש RMS‏ כולל של שורש ממוצע הריבועים (_VRMS‏µV‏) של 91.6 מיקרו-וולט של המודול.

לייחוס המתח של 2.048 וולט של פער-האנרגיה (Bandgap) יש רעש נמוך וסחיפה נמוכה (20 חלקים למיליון למעלה צלסיוס (ppm/°C‏)) לתמיכה במערכת ה- FDA‏ וה- ADC‏ Bit‏-16‏. בשילוב עם ה- FDA, מפרטים אלה מתורגמים לדיוק SNR של dB‏ 90‏ וסחיפת הגבר של ppm/°C‏ 1± של ה- SAR ADC. פין _OCM‏V‏ של ה- FDA משתמש ב- 2.048 וולט של הייחוס כדי לספק את מתח אופן-משותף של היציאה שלו.

חוצץ הייחוס הפנימי מגביר את הייחוס של 2.048 וולט פי שניים ליצירת 4.096 וולט עבור מתח הייחוס של ה- ADC‏. הפרש המתחים בין הייחוס של ה- ADC ל- GND קובע את תחום הכניסות המלא של ה- SAR ADC של ה- ADAQ23875‏. כמו כן, ל- ADAQ23875 יש קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) על-השבב של 10 מיקרו-פאראד (μF) בין חוצץ הייחוס ל- GND לשיכוך שיאי המרת ייחוס ה- SAR ADC ולהקלת מגבלות פרישת התכנים הבדידים.

כפי שמראה איור 4, מתח אופן-משותף של כניסת ה- FDA אינו תלוי במתח אופן-משותף של יציאת ה- FDA. בדוגמאות אחת עד שלוש, מתחי הספקת-הכוח הם:

VS‏+ = 7+ וולט (מתח הספקה חיובי של ה- FDA‏)

VS‏- = 2- וולט (מתח הספקה שלילי של ה- FDA‏)

VDD‏ = 5+ וולט (מתח ההספקה של ה- ADC‏)

VIO‏ = 2.5+ וולט (ספק-כוח של היציאה האנלוגית והדיגיטלית)

דוגמה 1 מציגה תחום מתחי כניסה של 1.024‏± וולט עם אופן-משותף כניסה של 1‏- וולט. ה- FDA מפעיל על אותות אלה הגבר של 2 וולט/וולט, ורמת ה- FDA מסיטה את מתח היציאה לפי הערך ב- _CMO‏V‏ או 2.048 וולט. התהליך מציג תחום אותות של 2.048‏± וולט עם מתח אופן-משותף מ- _CMO‏V‏ של 2.48 וולט ביציאת ה- FDA. תדר הפינה של המסנן מסדר ראשון (^1‏) הוא (‎1/(2pR x C הרץ (Hz‏) או ~78 מגה-הרץ (MHz‏). תחום האותות בכניסה ל- ADC‏הוא 2.048‏± וולט, עם מתח אופן-משותף של 2.048+ וולט.

ל- ADAQ23875 יש ממשק דיגיטלי LVDS עם אופני יציאה של נתיב-אחד או שני-נתיבים, המאפשרים למשתמשים למטב את קצב הנתונים של הממשק של כל יישום. הספקת-הכוח הדיגיטלית עבור הממשק היא VIO‏.

ל- ADAQ23875 יש ארבעה ספקי-כוח: ספק ליבת ADC פנימי (VDD), ספק ממשק I/O דיגיטלי (VIO), ספק FDA חיובי (+VS) וספק FDA‏ שלילי (-VS‏). כדי להקל על בעיות פרישת לוח המעגלים המודפסים, לכל פיני ההספקה יש קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) על-השבב של mF‏ 0.1 או mF‏ 0.2‏. הכרחי למקם קבלי ביטול-צימוד קרמיים טובים של μF‏ 2.2‏ (0402, X5R) על לוח המעגלים המודפסים בכל יציאה של מייצב LDO‏. מייצבים אלו מייצרים את פסי ההספקה של ה- μModule‏ (VDD‏, VIO‏, +VS ו- -VS) כדי להקטין למינימום פגיעות להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) ולהפחית את האפקט על שיבושים בקווי הספקת-הכוח. כל קבלי ביטול צימוד הנדרשים האחרים הם בתוך ה- ADAQ23875‏, ומשפרים את יחס דחיית הספקת-הכוח (PSRR) הכולל של התת-מערכת וחוסכים עלות ומקום נוסף על הלוח. כדי להשתמש בייחוס הפנימי ובחוצץ הייחוס הפנימי, יש לבטל את צימוד פין REFIN ל- GND עם קבל קרמי של μF‏ 0.1‏.

מודול ADAQ23875 חוסך את כאב הראש בבחירת ה- FDA והרשת ההתנגדתית המתאימים עבור ה- ADC, תוך שמירה על ביצועים עיליים ומפרט מוקפד עבור ה- SNR‏, THD‏, SINAD‏ ו- SFDR‏ (dB‏ 89.5‏, dB‏ 115.8-‏, dB‏ 89‏, ו- dB‏ 114.3‏, בהתאמה) איור 5‏). בדרך כלל המתכנן הוא שיבצע את אוסף מפרטי המערכת. גישת המערכת של ה- ADAQ23875 מסייעת למתכננים להשיג מפרטים אלו בצורה יעילה יותר.

איור 5: מודול ADAQ23875 יוצר את מפרטי SNR‏, THD‏, SINAD‏ ו- SFDR‏ העוברים דרך ה- FDA, מסנן מסדר ראשון (^1‏) ו- SAR ADC‏ שעל-השבב. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 5‏ מציג את תוצאות בדיקות ה- SNR‏, THD‏, SINAD‏ ו- SFDR‏ עבור אות כניסה דיפרנציאלי של kHz‏ 1‏ לתוך ה- ADAQ23875‏. עבור יישום ספציפי, בלוח EVAL-ADAQ23875FMCZ עבור ה- ADAQ23875 יש תוכנה המסייעת בהערכת התקנים, כולל תכנות ההתקן, צורת-הגל, היסטוגרמה וביצוע FFT‏. המתכננים יכולים לחבר את לוח ההערכה לפלטפורמת ההדגמה של מערכת EVAL-SDP-CH1Z‏ מבית ADI עבור הספקת-הכוח, ולאפשר בקרה של לוח ההערכה על ידי מחשב אישי דרך יציאת ה- USB של ה- SDP-CH1Z (איור 6).

איור 6: לוח ההערכה ADAQ23875FMCZ (משמאל) מחובר ללוח פלטפורמת הדגמת המערכת (EVAL-SDP-CH1Z) (מימין), ומאפשר לבקר את לוח ההערכה דרך נקודת-החיבור USB‏ של המחשב האישי. (מקור התמונה: Analog Devices)

התוכנה של לוח ההערכה, תוספת ACE עבור לוח ADAQ23875‏ 1.2021.8300‏ [Feb 18 21] ו- תוכנת מתקין ACE‏ 1.21.2994.1347‏ [Feb 08 21]‏, מאפשרים למשתמש להגדיר את ערך דגימת-היתר של כל ערוץ, תחום הכניסות, מספר הדגימות ובחירת הערוץ הפעיל. בנוסף, תוכנה זו מאפשרת גם לשמור ולפתוח קובצי נתוני בדיקה.

סיכום

כדי להתגבר על האתגרים של תכנים אנלוגיים במהירות גבוהה ולספק את הביצועים הכוללים הטובים ביותר לקליטת נתונים, המתכננים יכולים להשתמש במודול ADAQ23875‏. זוהי מערכת המרה שלמה במהירות גבוהה הכוללת FDA, מסנן מעביר-נמוכים מסדר ראשון (^1‏), SAR ADC ומערך קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) המגבירים את אותות העירור ומספקים את אותות הדחיפה המתאימים, כמו גם את הסינון ואת אותות המשוב של האותות המשניים. מודול משולב ביותר, מודול מערכת קליטת הנתונים ADAQ23875‏ מסיר את ה"מאגיה השחורה" מהתכנון האנלוגי עם פיתרון FDA‏ שלם ל- SAR ADC‏ עבור קליטת נתונים במהירות גבוהה, Hardware-In-the-Loop‏ (HiL‏) ואנאלייזרי הספקת-כוח.