發布日期：2022-04-17 點擊率：50
【導讀】精密數據采集的市場空間中存在一個普遍需求，即在保持性能的同時提高信號鏈的密度。由于越來越多的應用逐漸傾向于依照通道的ADC方式，或試圖將更多通道集成于同一尺寸中，因此通道密度是許多數據采集信號鏈設計工程師十分關注的問題。
此外，目前行業中存在的一個趨勢是，力求使精密電路更易于使用，并且能夠更輕松地實現數據手冊中的性能。這樣就有利于構建一些子系統，通過使用系統級封裝 (SiP) 技術實現信號鏈而解決上述問題。
ADI公司根據此子系統策略生產的第一個系列為ADAQ798x數據采集產品。ADAQ798x是一種16位模數轉換器子系統，將四個通用的信號處理和調理模塊集成到一個SiP設計中，可支持多種應用。該系列器件也包含最關鍵的無源器件，可避免因使用逐次逼近型寄存器 (SAR) 模數轉換器 (ADC) 的傳統信號鏈所導致的很多設計難題。這些無源器件是實現額定器件性能的關鍵因素。
縱觀使用SAR ADC的應用和市場，如工業、儀器儀表、通信及醫療保健，可以發現，數據采集信號鏈的某些部分在這些應用中很常見，而另外某些部分則可能存在廣泛的不同。還可以發現，這些信號鏈使用不同的輸入源和傳感器陣列。因此，在向ADC提交信號之前，將會執行各種形式的信號調理。使用不同的輸入源意味著系統的滿量程可能不同，并且需要采用不同的基準值以使動態范圍最大化。某些應用為多通道方式，因此會使用一個前端多路復用器。根據不同應用的關鍵性能標準，可能會實施不同的供電方案。不過，無論何種應用，某些器件可通用于很多場合。ADAQ7980 和 ADAQ7988 是全ADI有源器件解決方案的組成部分，該解決方案包含一個高精度、低功耗的16位SAR ADC；一個低功耗、高帶寬、高輸入阻抗的ADC驅動器；一個穩定的低功耗基準電壓緩沖器；以及一個高效的電源管理模塊。這些信號鏈組件已通過SiP技術集成到一個數據采集子系統中。
ADAQ7980和ADAQ7988均采用小尺寸5 mm × 4 mm LGA封裝，因此會使數據采集系統的設計過程更簡單。ADAQ798x的高系統集成度可解決很多設計難題，并且仍具有靈活性，能夠通過可配置的ADC驅動器模塊實現增益和/或共模調整。配備四種器件電源以提供最佳系統性能，但在對器件工作特性的影響極小時也可使用單電源模式。ADAQ798x系列不僅具有出色的集成度，并且可靈活地適應各種各樣的應用。
AD I公司在開發此產品時對常見的設計錯誤進行了分析，以確定出有助于解決這些問題的方法。結果表明，信號鏈層設計中的很多錯誤主要圍繞 SAR ADC的兩個區域—參考輸入和模擬輸入。很多信號鏈誤差都與決定整體模數轉換性能的ADC的外圍電路有關。關于基準電壓，常見的錯誤包括基準旁路電容的布局和尺寸不當，基準電壓源的驅動強度不足，以及基準電壓源產生的噪聲頻譜密度過大。若SAR ADC的參考輸入存在這些不妥當的設計條件，可能會導致ADC作出錯誤的位判斷。至于ADC的模擬輸入，觀察到的常見設計問題包括：ADC驅動器選型不當，ADC驅動器和ADC之間濾波器的帶寬不適當，以及濾波電容介電材料選擇不當。這些系統級設計問題以任何方式組合都可能會嚴重影響ADC的轉換性能。ADI公司在開發ADAQ798x器件時所作的一系列選擇都旨在解決這些問題。
如上所述，要使一個基于SAR ADC的轉換系統實現數據手冊中的性能，必須考慮到某些設計因素。SAR ADC基準電壓源和模擬輸入源的特性是決定轉換信號鏈設計是否成功的關鍵。通常，一個SARADC需使用一個低阻抗基準電壓源和一個較大的、布置適當的去耦電容。該旁路電容用來補充ADC在SAR位校驗期間消耗的電荷，可看作為ADC外部SAR陣列中的一個元件。ADC還需要一個合適的模擬輸入源，其噪聲性能和帶寬應足以使ADC輸入建立至所需分辨率。圖1顯示了ADAQ798x系列器件的框圖。
圖1. ADAQ798x框圖。
如圖1所示，ADAQ798x內置有一個基準電壓緩沖器和一個對應的10 F去耦電容。理論上，該去耦電容應鄰近ADC的參考輸入。如此布置是為了減小去耦電容和SAR電容陣列之間的總體寄生阻抗。該路徑應使阻抗盡可能低，以便電容將電荷快速添加到SAR陣列上，然后在轉換過程中重新分布。同時，基準電壓緩沖器和去耦電容之間的走線電阻已受到控制。走線尺寸經過精心選擇，確保其所得電阻能使基準電壓緩沖器保持穩定，而其造成的電壓降不足以產生轉換增益誤差。用于緩沖參考信號的放大器被配置成一個單位增益緩沖器。這樣會形成外部基準電壓源的一個高阻抗輸入，而非SAR ADC參考輸入的傳統型開關電容負載。現在，ADAQ798x用戶可以使用一個低功耗或無緩沖基準電壓源來驅動ADAQ798x的參考輸入 (REFIN) 引腳。由于形成高阻抗，因此也為用戶在選擇基準電壓源的物理PCB位置時提供了更多的靈活性。通過使用此SiP元件，基準電壓源的布局就變得不那么重要，因為ADAQ798x內包含一個受到良好控制的基準電壓緩沖器。由于僅包含一個緩沖器，而非基準電壓源本身，用戶可在廣泛范圍內自由選擇基準值，從而通過此基準電壓的選擇使系統的動態范圍最大化。因為基準電壓決定了轉換器的滿量程電壓。
ADAQ798x還具有一個ADC驅動器以及對應的低通濾波器，濾波器位于驅動器和ADC輸入之間。濾波器帶寬的選擇是決定器件能否達到所需性能水平的關鍵因素。帶寬選擇是在高速ADC驅動器的建立時間和濾波寬帶噪聲之間作一個權衡。ADC輸入節點處的任何干擾必須在ADC采集時間內建立至足夠的分辨率。當SAR ADC執行其轉換過程時，ADC輸入與其外部輸入源斷開連接。在轉換過程中，ADC輸入的電位可能會發生變化。盡管如此，轉換結束時SAR電容器陣列上的電壓與轉換開始時的電壓基本相同。當ADC返回采集（跟蹤）模式時，SAR電容陣列的負載呈現在ADC輸入端。該電容與外部低通濾波器的電容并聯。由于這些電容具有不同的電壓，因此會發生電荷再分布以使所有電容上的電壓達到平衡。這將導致需在采集周期內建立的ADC輸入出現電壓階躍。最差情況是在ADC進行滿量程轉換時發生階躍。這種情況可能會出現在采用多路復用輸入的系統中。此電壓階躍會因外部電容和內部SAR電容的比率而衰減。ADAQ798x產品均具有一個1800 pF的低通濾波電容。假設基準電壓為5 V，則ADC輸入的最大電壓階躍計算如下：
此電壓階躍必須在最小采集時間290 ns內建立。建立此電壓階躍所需的時間常數數目可通過計算階躍大小和建立誤差之比的自然對數來獲得。本例中建立誤差為? LSB。那么，時間常數的數目如下：
已知時間常數的數目后，可以確定出RC低通濾波器的時間常數 (T)：
將時間常數帶入下式可求出所需的濾波器帶寬：
為了提供一定的裕量并使用標準值元件，ADAQ798x產品均具有一個由20 電阻和1800 pF電容構成的濾波器。可提供的濾波器帶寬為4.42 MHz，因此ADAQ798x濾波器能夠在ADC采集時間內建立最大可期電壓階躍。計算所得的濾波器帶寬也代表了噪聲濾波和建立過程之間的權衡點。在確保建立過程的前提下選用最低要求附近的濾波器帶寬，將能最大化提高無源低通濾波器的噪聲濾波作用。
雖然SAR ADC返回采集模式時的電壓階躍是濾波器建立計算中的限制因素，值得注意的是，該濾波器也可以在1 s的最小轉換周期內順利建立多路復用器滿量程階躍帶來的實際電壓變化。將滿量程階躍建立至1/2 LSB分辨率需要11.78個時間常數。這是根據N+1個量化級的自然對數計算而得。在本例中為217或131072個數字碼。11.78個時間常數，每個時間常數38.3 ns，那么總共約為450 ns，這個時間相較于1 s轉換周期不足為慮。其假設前提是多路復用器通道在轉換開始后直接切換。
為確保轉換信號鏈的正常性能，ADC驅動器的帶寬也非常重要。在單位增益配置中，建立過程的限制因素是需在290 ns內建立的電壓階躍，其與返回到采集模式的轉換器相關。因此，在這種情況下，小信號帶寬是最重要的放大器帶寬特性。要在1 s的最小轉換周期內建立多路復用器的滿量程階躍，ADC驅動器的大信號帶寬必須確保1 s時間周期內可處理11.78個時間常數。
ADC驅動器不可向轉換信號鏈引入過量噪聲。子系統的總體噪聲性能計算為ADC噪聲、ADC驅動器噪聲和基準電壓緩沖器噪聲的平方和根值 (RSS)。由于旁路電容較大，參考電路的帶寬有限，因此基準電壓緩沖器噪聲在RSS計算中可以忽略不計。在單位增益配置中為ADC驅動器所選的噪聲目標為不大于ADC噪聲的1/3。ADC驅動器的額定噪聲頻譜密度為5.2 nV/Hz。要計算整體系統的噪聲，必須使用下式將ADC驅動器的噪聲頻譜密度轉換為V rms：
ADC的典型動態范圍特性為92 dB，基準電壓為5V。ADC的噪底可以通過下式計算：
ADC驅動器的噪底為13.7 V rms，在不大于ADC噪聲的1/3目標范圍內。單位增益配置中ADC驅動器引入的噪聲導致整體系統動態范圍從92 db降至91.6 dB。由于ADC驅動器對系統噪聲的影響不大，所以，對于因采樣周期較長而提供較長建立時間的低采樣速率應用，無需改變低通濾波器的帶寬。通過降低濾波器帶寬在單位增益上帶來的最佳改善可能是重新獲得動態范圍損耗的0.4 dB。然而，為降低帶寬而增大濾波器電阻會對THD性能產生不利影響，而ADC驅動器可能難以驅動較大的容性負載。如果還需要其他濾波，ADC驅動器可配置為提供濾波作用。
ADAQ798x產品中還包含一個2.5 V低噪聲CMOS LDO線性穩壓器。某些SAR ADC產品需要特定的2.5 V電源，并且要求公差范圍很小。如果用戶沒有可用的2.5 V電源軌，則可能需要專為ADC設計一個電源。而使用此元件則可以大大簡化電源，因為其中包含了LDO。片上LDO用于向轉換器供電，此時LDO輸入相當于ADC的電源。這樣可提供更廣泛的可用電源電壓，并且使電路更簡單。放大器的正電源可以作為LDO輸入以實現一個單電源系統。此外，還可選擇適當的電源電壓以優化性能或功耗。該器件支持全掉電模式。電源配置的靈活性使ADAQ798x用戶可針對具體應用作出最合適的權衡。
ADAQ798x的封裝尺寸為5 mm × 4 mm × 2 mm。四層層壓片厚0.35 mm，塑封片厚1.65 mm。這種壓模成形封裝的特點如同任何典型封裝集成電路，采用全塑封料和底部填充工藝。用戶所見的層壓片呈LGA封裝，具有24個I/O焊盤。圖2顯示了ADAQ798x的封裝外形圖。圖3為無任何封裝或塑封的ADAQ798x裝配模型。從圖3可以看出，該子系統混合運用了ADI有源器件和公開市場上常見的無源器件。層壓片走線的設計有利于控制阻抗并消除任何串擾。正是因為在所有這些設計和裝配技術上取得的成果，我們開發出的產品可以比同類器件設計節省高達50%的PCB面積。
圖2. ADAQ798x的封裝外形圖。
圖3. ADAQ798x的三維裝配模型。
除了節省面積之外，ADAQ798x還為信號鏈設計工程師實現所需性能和降低系統設計風險提供了更佳的機會。從根本上說，這樣可以縮短上市時間和降低開發成本。選用ADAQ798x還可以簡化系統的物料清單，一份數據手冊可涵蓋系統中的更多部分。此款SiP器件堅固耐用。專為承受惡劣的工業環境而設計，并已通過大量測試驗證其合格性。它能夠實現絕佳的質量等級，額定溫度范圍為–55°C至+125°C。總而言之，ADAQ798x實現了集成度與靈活性之間的卓越平衡，并且不會犧牲信號鏈的性能。
作者：Ryan Curran
Ryan Curran 是ADI 公司精密轉換器業務部門的一名產品應用工程師。自2005 年加盟ADI 以來，他一直主要從事SAR ADC 方面工作。Ryan 獲緬因大學歐洛諾電子工程學士學位，目前在阿默斯特馬薩諸塞大學伊森伯格管理學院攻讀工商管理碩士學位。
本文轉載自ADI電機控制中文技術社區。
推薦閱讀：
物聯網智能傳感器的噪聲與功耗
技術基礎：保護ADC輸入
新能源汽車驅動電機深度分析！
高性能MEMS IMU解決方案
下一代線路傳感器： 采集電能、互聯、減少維護工作量
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： Σ-Δ型ADC拓撲結構
