【導(dǎo)讀】精密數(shù)據(jù)采集的市場(chǎng)空間中存在一個(gè)普遍需求，即在保持性能的同時(shí)提高信號(hào)鏈的密度。由于越來(lái)越多的應(yīng)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(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)工程師十分關(guān)注的問(wèn)題。
此外，目前行業(yè)中存在的一個(gè)趨勢(shì)是，力求使精密電路更易于使用，并且能夠更輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能。這樣就有利于構(gòu)建一些子系統(tǒng)，通過(guò)使用系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈而解決上述問(wèn)題。
ADI公司根據(jù)此子系統(tǒng)策略生產(chǎn)的第一個(gè)系列為ADAQ798x數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。ADAQ798x是一種16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)，將四個(gè)通用的信號(hào)處理和調(diào)理模塊集成到一個(gè)SiP設(shè)計(jì)中，可支持多種應(yīng)用。該系列器件也包含最關(guān)鍵的無(wú)源器件，可避免因使用逐次逼近型寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的傳統(tǒng)信號(hào)鏈所導(dǎo)致的很多設(shè)計(jì)難題。這些無(wú)源器件是實(shí)現(xiàn)額定器件性能的關(guān)鍵因素。
縱觀使用SAR ADC的應(yīng)用和市場(chǎng)，如工業(yè)、儀器儀表、通信及醫(yī)療保健，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的某些部分在這些應(yīng)用中很常見(jiàn)，而另外某些部分則可能存在廣泛的不同。還可以發(fā)現(xiàn)，這些信號(hào)鏈?zhǔn)褂貌煌妮斎朐春蛡鞲衅麝嚵小Ｒ虼耍谙駻DC提交信號(hào)之前，將會(huì)執(zhí)行各種形式的信號(hào)調(diào)理。使用不同的輸入源意味著系統(tǒng)的滿(mǎn)量程可能不同，并且需要采用不同的基準(zhǔn)值以使動(dòng)態(tài)范圍最大化。某些應(yīng)用為多通道方式，因此會(huì)使用一個(gè)前端多路復(fù)用器。根據(jù)不同應(yīng)用的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)實(shí)施不同的供電方案。不過(guò)，無(wú)論何種應(yīng)用，某些器件可通用于很多場(chǎng)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(gè)高精度、低功耗的16位SAR ADC；一個(gè)低功耗、高帶寬、高輸入阻抗的ADC驅(qū)動(dòng)器；一個(gè)穩(wěn)定的低功耗基準(zhǔn)電壓緩沖器；以及一個(gè)高效的電源管理模塊。這些信號(hào)鏈組件已通過(guò)SiP技術(shù)集成到一個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中。
ADAQ7980和ADAQ7988均采用小尺寸5 mm × 4 mm LGA封裝，因此會(huì)使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程更簡(jiǎn)單。ADAQ798x的高系統(tǒng)集成度可解決很多設(shè)計(jì)難題，并且仍具有靈活性，能夠通過(guò)可配置的ADC驅(qū)動(dòng)器模塊實(shí)現(xiàn)增益和/或共模調(diào)整。配備四種器件電源以提供最佳系統(tǒng)性能，但在對(duì)器件工作特性的影響極小時(shí)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(yīng)各種各樣的應(yīng)用。
AD I公司在開(kāi)發(fā)此產(chǎn)品時(shí)對(duì)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行了分析，以確定出有助于解決這些問(wèn)題的方法。結(jié)果表明，信號(hào)鏈層設(shè)計(jì)中的很多錯(cuò)誤主要圍繞 SAR ADC的兩個(gè)區(qū)域—參考輸入和模擬輸入。很多信號(hào)鏈誤差都與決定整體模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的ADC的外圍電路有關(guān)。關(guān)于基準(zhǔn)電壓，常見(jiàn)的錯(cuò)誤包括基準(zhǔn)旁路電容的布局和尺寸不當(dāng)，基準(zhǔn)電壓源的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度不足，以及基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的噪聲頻譜密度過(guò)大。若SAR ADC的參考輸入存在這些不妥當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)條件，可能會(huì)導(dǎo)致ADC作出錯(cuò)誤的位判斷。至于ADC的模擬輸入，觀察到的常見(jiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題包括：ADC驅(qū)動(dòng)器選型不當(dāng)，ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC之間濾波器的帶寬不適當(dāng)，以及濾波電容介電材料選擇不當(dāng)。這些系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題以任何方式組合都可能會(huì)嚴(yán)重影響ADC的轉(zhuǎn)換性能。ADI公司在開(kāi)發(fā)ADAQ798x器件時(shí)所作的一系列選擇都旨在解決這些問(wèn)題。
如上所述，要使一個(gè)基于SAR ADC的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能，必須考慮到某些設(shè)計(jì)因素。SAR ADC基準(zhǔn)電壓源和模擬輸入源的特性是決定轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。通常，一個(gè)SARADC需使用一個(gè)低阻抗基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)較大的、布置適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙荨Ｔ撆月冯娙萦脕?lái)補(bǔ)充ADC在SAR位校驗(yàn)期間消耗的電荷，可看作為ADC外部SAR陣列中的一個(gè)元件。ADC還需要一個(gè)合適的模擬輸入源，其噪聲性能和帶寬應(yīng)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(nèi)置有一個(gè)基準(zhǔn)電壓緩沖器和一個(gè)對(duì)應(yīng)的10 F去耦電容。理論上，該去耦電容應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換過(guò)程中重新分布。同時(shí)，基準(zhǔn)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(jīng)過(guò)精心選擇，確保其所得電阻能使基準(zhǔn)電壓緩沖器保持穩(wěn)定，而其造成的電壓降不足以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換增益誤差。用于緩沖參考信號(hào)的放大器被配置成一個(gè)單位增益緩沖器。這樣會(huì)形成外部基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)高阻抗輸入，而非SAR ADC參考輸入的傳統(tǒng)型開(kāi)關(guān)電容負(fù)載。現(xiàn)在，ADAQ798x用戶(hù)可以使用一個(gè)低功耗或無(wú)緩沖基準(zhǔn)電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)ADAQ798x的參考輸入 (REFIN) 引腳。由于形成高阻抗，因此也為用戶(hù)在選擇基準(zhǔn)電壓源的物理PCB位置時(shí)提供了更多的靈活性。通過(guò)使用此SiP元件，基準(zhǔn)電壓源的布局就變得不那么重要，因?yàn)锳DAQ798x內(nèi)包含一個(gè)受到良好控制的基準(zhǔn)電壓緩沖器。由于僅包含一個(gè)緩沖器，而非基準(zhǔn)電壓源本身，用戶(hù)可在廣泛范圍內(nèi)自由選擇基準(zhǔn)值，從而通過(guò)此基準(zhǔn)電壓的選擇使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍最大化。因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓決定了轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程電壓。
ADAQ798x還具有一個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器以及對(duì)應(yīng)的低通濾波器，濾波器位于驅(qū)動(dòng)器和ADC輸入之間。濾波器帶寬的選擇是決定器件能否達(dá)到所需性能水平的關(guān)鍵因素。帶寬選擇是在高速ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間和濾波寬帶噪聲之間作一個(gè)權(quán)衡。ADC輸入節(jié)點(diǎn)處的任何干擾必須在ADC采集時(shí)間內(nèi)建立至足夠的分辨率。當(dāng)SAR ADC執(zhí)行其轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)，ADC輸入與其外部輸入源斷開(kāi)連接。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，ADC輸入的電位可能會(huì)發(fā)生變化。盡管如此，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)SAR電容器陣列上的電壓與轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)的電壓基本相同。當(dāng)ADC返回采集（跟蹤）模式時(shí)，SAR電容陣列的負(fù)載呈現(xiàn)在ADC輸入端。該電容與外部低通濾波器的電容并聯(lián)。由于這些電容具有不同的電壓，因此會(huì)發(fā)生電荷再分布以使所有電容上的電壓達(dá)到平衡。這將導(dǎo)致需在采集周期內(nèi)建立的ADC輸入出現(xiàn)電壓階躍。最差情況是在ADC進(jìn)行滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生階躍。這種情況可能會(huì)出現(xiàn)在采用多路復(fù)用輸入的系統(tǒng)中。此電壓階躍會(huì)因外部電容和內(nèi)部SAR電容的比率而衰減。ADAQ798x產(chǎn)品均具有一個(gè)1800 pF的低通濾波電容。假設(shè)基準(zhǔn)電壓為5 V，則ADC輸入的最大電壓階躍計(jì)算如下：
此電壓階躍必須在最小采集時(shí)間290 ns內(nèi)建立。建立此電壓階躍所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)目可通過(guò)計(jì)算階躍大小和建立誤差之比的自然對(duì)數(shù)來(lái)獲得。本例中建立誤差為½ LSB。那么，時(shí)間常數(shù)的數(shù)目如下：
已知時(shí)間常數(shù)的數(shù)目后，可以確定出RC低通濾波器的時(shí)間常數(shù) (T)：
將時(shí)間常數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值元件，ADAQ798x產(chǎn)品均具有一個(gè)由20 電阻和1800 pF電容構(gòu)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(shí)間內(nèi)建立最大可期電壓階躍。計(jì)算所得的濾波器帶寬也代表了噪聲濾波和建立過(guò)程之間的權(quán)衡點(diǎn)。在確保建立過(guò)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(wú)源低通濾波器的噪聲濾波作用。
雖然SAR ADC返回采集模式時(shí)的電壓階躍是濾波器建立計(jì)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(zhuǎn)換周期內(nèi)順利建立多路復(fù)用器滿(mǎn)量程階躍帶來(lái)的實(shí)際電壓變化。將滿(mǎn)量程階躍建立至1/2 LSB分辨率需要11.78個(gè)時(shí)間常數(shù)。這是根據(jù)N+1個(gè)量化級(jí)的自然對(duì)數(shù)計(jì)算而得。在本例中為217或131072個(gè)數(shù)字碼。11.78個(gè)時(shí)間常數(shù)，每個(gè)時(shí)間常數(shù)38.3 ns，那么總共約為450 ns，這個(gè)時(shí)間相較于1 s轉(zhuǎn)換周期不足為慮。其假設(shè)前提是多路復(fù)用器通道在轉(zhuǎn)換開(kāi)始后直接切換。
為確保轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈的正常性能，ADC驅(qū)動(dòng)器的帶寬也非常重要。在單位增益配置中，建立過(guò)程的限制因素是需在290 ns內(nèi)建立的電壓階躍，其與返回到采集模式的轉(zhuǎn)換器相關(guān)。因此，在這種情況下，小信號(hào)帶寬是最重要的放大器帶寬特性。要在1 s的最小轉(zhuǎn)換周期內(nèi)建立多路復(fù)用器的滿(mǎn)量程階躍，ADC驅(qū)動(dòng)器的大信號(hào)帶寬必須確保1 s時(shí)間周期內(nèi)可處理11.78個(gè)時(shí)間常數(shù)。
ADC驅(qū)動(dòng)器不可向轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈引入過(guò)量噪聲。子系統(tǒng)的總體噪聲性能計(jì)算為ADC噪聲、ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲和基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖器噪聲在RSS計(jì)算中可以忽略不計(jì)。在單位增益配置中為ADC驅(qū)動(dòng)器所選的噪聲目標(biāo)為不大于ADC噪聲的1/3。ADC驅(qū)動(dòng)器的額定噪聲頻譜密度為5.2 nV/Hz。要計(jì)算整體系統(tǒng)的噪聲，必須使用下式將ADC驅(qū)動(dòng)器的噪聲頻譜密度轉(zhuǎn)換為V rms：
ADC的典型動(dòng)態(tài)范圍特性為92 dB，基準(zhǔn)電壓為5V。ADC的噪底可以通過(guò)下式計(jì)算：
ADC驅(qū)動(dòng)器的噪底為13.7 V rms，在不大于ADC噪聲的1/3目標(biāo)范圍內(nèi)。單位增益配置中ADC驅(qū)動(dòng)器引入的噪聲導(dǎo)致整體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍從92 db降至91.6 dB。由于ADC驅(qū)動(dòng)器對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響不大，所以，對(duì)于因采樣周期較長(zhǎng)而提供較長(zhǎng)建立時(shí)間的低采樣速率應(yīng)用，無(wú)需改變低通濾波器的帶寬。通過(guò)降低濾波器帶寬在單位增益上帶來(lái)的最佳改善可能是重新獲得動(dòng)態(tài)范圍損耗的0.4 dB。然而，為降低帶寬而增大濾波器電阻會(huì)對(duì)THD性能產(chǎn)生不利影響，而ADC驅(qū)動(dòng)器可能難以驅(qū)動(dòng)較大的容性負(fù)載。如果還需要其他濾波，ADC驅(qū)動(dòng)器可配置為提供濾波作用。
ADAQ798x產(chǎn)品中還包含一個(gè)2.5 V低噪聲CMOS LDO線性穩(wěn)壓器。某些SAR ADC產(chǎn)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(hù)沒(méi)有可用的2.5 V電源軌，則可能需要專(zhuān)為ADC設(shè)計(jì)一個(gè)電源。而使用此元件則可以大大簡(jiǎn)化電源，因?yàn)槠渲邪薒DO。片上LDO用于向轉(zhuǎn)換器供電，此時(shí)LDO輸入相當(dāng)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(jiǎn)單。放大器的正電源可以作為L(zhǎng)DO輸入以實(shí)現(xiàn)一個(gè)單電源系統(tǒng)。此外，還可選擇適當(dāng)?shù)碾娫措妷阂詢(xún)?yōu)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(hù)可針對(duì)具體應(yīng)用作出最合適的權(quán)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(diǎn)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(hù)所見(jiàn)的層壓片呈LGA封裝，具有24個(gè)I/O焊盤(pán)。圖2顯示了ADAQ798x的封裝外形圖。圖3為無(wú)任何封裝或塑封的ADAQ798x裝配模型。從圖3可以看出，該子系統(tǒng)混合運(yùn)用了ADI有源器件和公開(kāi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的無(wú)源器件。層壓片走線的設(shè)計(jì)有利于控制阻抗并消除任何串?dāng)_。正是因?yàn)樵谒羞@些設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)上取得的成果，我們開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品可以比同類(lèi)器件設(shè)計(jì)節(jié)省高達(dá)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(jié)省面積之外，ADAQ798x還為信號(hào)鏈設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)所需性能和降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)提供了更佳的機(jī)會(huì)。從根本上說(shuō)，這樣可以縮短上市時(shí)間和降低開(kāi)發(fā)成本。選用ADAQ798x還可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的物料清單，一份數(shù)據(jù)手冊(cè)可涵蓋系統(tǒng)中的更多部分。此款SiP器件堅(jiān)固耐用。專(zhuān)為承受惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，并已通過(guò)大量測(cè)試驗(yàn)證其合格性。它能夠?qū)崿F(xiàn)絕佳的質(zhì)量等級(jí)，額定溫度范圍為–55°C至+125°C。總而言之，ADAQ798x實(shí)現(xiàn)了集成度與靈活性之間的卓越平衡，并且不會(huì)犧牲信號(hào)鏈的性能。
作者：Ryan Curran
Ryan Curran 是ADI 公司精密轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)部門(mén)的一名產(chǎn)品應(yīng)用工程師。自2005 年加盟ADI 以來(lái)，他一直主要從事SAR ADC 方面工作。Ryan 獲緬因大學(xué)歐洛諾電子工程學(xué)士學(xué)位，目前在阿默斯特馬薩諸塞大學(xué)伊森伯格管理學(xué)院攻讀工商管理碩士學(xué)位。
本文轉(zhuǎn)載自ADI電機(jī)控制中文技術(shù)社區(qū)。
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