Namen tega članka je pomagati oblikovalcem strojne opreme pri načrtovanju širokopasovnih programirljivih instrumentacijskih ojačevalnikov (PGIA), od izbire diskretnih komponent, ki so na voljo na polici, do vrednotenja zmogljivosti ter kako prihraniti čas in zmanjšati število iteracij načrtovanja.
Analog Devices, Inc.
Avtorja: Maithil Pachchigar, John Neeko Garlitos
Predstavljena arhitektura PGIA je optimizirana za krmiljenje signalne verige na osnovi arhitekture zaporednih aproksimacijskih registrov (SAR) visoke natančnosti pri polni hitrosti. Članek prikazuje tudi natančnost delovanja PGIA pri krmiljenju signalnih verig s široko pasovno širino za različne možnosti ojačitve.
Uvod
Podsistem za natančno zajemanje podatkov je običajno sestavljen iz visoko zmogljivih, diskretnih linearnih signalnih blokov za merjenje in zaščito, kondicioniranje in zajemanje ali sintezo in pogon. Oblikovalci strojne opreme, ki razvijajo te signalne verige za zajem podatkov, običajno zahtevajo visoko vhodno impedanco, ki omogoča neposreden vmesnik z različnimi senzorji. V tem primeru je pogosto potrebno programabilno ojačenje, da se vezje prilagodi različnim amplitudam vhodnih signalov – unipolarnim ali bipolarnim ter enosmernim ali diferencialnim z različnimi sofaznimi napetostmi. Večino PGIA tradicionalno sestavlja enojni izhod, ki pri polni hitrosti ne more neposredno krmiliti popolnoma diferencialne signalne verige z visoko natančnostjo, ki temelji na SAR arhitekturi, in lahko zahteva vsaj eno stopnjo za kondicioniranje signala ali gonilnik. Industrijska dinamika se hitro razvija, pri čemer je vse večji poudarek na sistemski programski opremi in aplikacijah za razlikovanje sistemskih rešitev. Zaradi omejenih proračunov za raziskave in razvoj ter časovnih omejitev za vstop na trg je manj časa za izdelavo in prototipiranje analognih vezij za preverjanje njihove funkcionalnosti. Sredstva za razvoj strojne opreme so pod vse večjim pritiskom, da bi zmanjšali število iteracij načrtovanja. Ta članek se osredotoča na ključne vidike zasnove diskretnega popolnoma diferencialnega PGIA s široko pasovno širino in prikazuje njegovo natančno delovanje pri krmiljenju hitre signalne verige μModule® za zajem podatkov.
Opis načrtovanja PGIA
Slika 1 prikazuje poenostavljen blok diagram diskretnega, širokopasovnega, popolnoma diferencialnega PGIA vezja. Ključne specifikacije in oblikovne zahteve za to vezje PGIA so navedene v tabeli 1.
Ta diskretni PGIA je sestavljen iz naslednjih komponent:
- ADA4898-1 nizkošumni hitri ojačevalniki
- LT5400 štirje enaki upori uporabljeni za nastavitev ojačenja in povratno vezavo, ki nastavi ojačenje PGIA
- ADG1209 iCMOS™multiplekser z nizko impedanco,širokim frekvenčnim področjem
Diskretne komponente za to širokopasovno vezje PGIA so bile izbrane tako, da izpolnjujejo specifikacije PGIA, poudarjene v tabeli 1, ter dosegajo optimizirano zmogljivost AC in DC pri
krmiljenju popolnoma diferencialne zelo hitre signalne verige μModule za zajem podatkov, kot sta ADAQ23875 [1] in ADAQ23878 [2], ter ADC, kot sta LTC2387-16 [3] /LTC2387-18 [4].
Nasveti za načrtovanje in izbor komponent
Sposobnost te širokopasovne diskretne PGIA rešitve za pogon hitrih μModule rešitev, ki temeljijo na SAR arhitekturi, in doseganje optimizirane zmogljivosti, je odvisna od ključnih specifikacij (kot so pasovna širina, hitrost prehoda, šum in popačenje) ojačevalnikov in FDA. ADA4898-1 in ADA4945-1 sta bila izbrana, ker njun produkt pasovne širine in ojačenja (GBW) podpirata splošne zahteve glede pasovne širine te signalne verige. ADA4945-1 (FDA) je potreben le pri krmiljenju ADC, kot sta LTC2387-16/LTC2387-18. Merila za nastavitev ojačenja PGIA so odvisna od izbire ojačevalnikov, povratnih uporov in multiplekserjev, kot je opisano v naslednjem razdelku.
Nastavitev ojačenjaPGIA
Izbira ojačenja in uporov v povratni zanki
Ojačenje in upori v povratni zanki morajo biti zelo usklajeni.LT5400, ki vsebuje štiri precizne upori ima 0.2 ppm/°C drsenja in 0.01% točnost upornosti preko širokega temperaturnega področja, hkrati pa ima boljše sofazno dušenje (CMRR) kot diskretno izbrani upori. Upori, ki določajo ojačenje FDA morajo biti usklajeni tudi zato, da dosežemo optimalne CMRR lastnosti. LT5400 uporovna mreža je uporabljena za nastavljanje ojačenja ojačevalnikov. Izračun ojačenja je prikazan v formulah 1 do 3, enačba 1.
Z nastavitvijo R1 = R4 in R2 = R3 pri uporabi LT5400 bi bilo ojačenje naslednje, enačba 2.
Skupno ojačenje ojačevalnikov in FDA (fiksno ojačenje 2) sestavljajo skupno ojačenje PGIA, kot je prikazano v tabeli 2.
V seriji LT5400 so na voljo različne možnosti uporov, kot je prikazano v tabeli 2. Multiplekser ADG1209 je mogoče obiti z uporabo ojačevalnikov v konfiguraciji z enojnim ojačanjem, tako da bi bila v tem primeru skupna vrednost PGIA nastavljena na 2.
Če je potrebno nastaviti ojačenje višje od 20, se med invertirajoča vhoda ojačevalnikov ADA4898-1 doda zunanji natančno usklajeni upor (RGAIN), LT5400-4 pa se uporabijo kot upori v povratni zanki, da se doseže ciljno ojačenje 64 in 128, kot je prikazano na sliki 2.
Za izračun vrednosti RGAIN so navedene enačbe od 4 do 8.
In vrednost RGAIN za želeno ojačenje bi bila, enačba 8.
Izbira multiplekserja
Multiplekser se uporablja za nadzor različnih ojačitev tega PGIA vezja z izbiro mreže štirih uporov LT5400. Pri izbiri multiplekserja za to široko pasovno širino diskretne zasnove PGIA je treba upoštevati pomembne parametre multiplekserja, kot so vklopna upornost (RON), vklopna kapacitivnost (CON) in izklopna kapacitivnost (COFF). Za to zasnovo PGIA s široko pasovno širino je priporočljivo uporabiti multiplekser ADG1209. Kompenzacijski kondenzator (Cc) je dodan v povratno zanko ojačevalnikov, da se čim bolj zmanjša višek ojačitve in zmanjša učinek vklopne/izklopne kapacitivnosti multiplekserja.Cc bo skupaj z upori RON povratne zanke in ojačitve ustvaril pol, ki bo izravnal učinek kapacitivne parazitne ničle v ojačitvi povratne zanke. Vrednost Cc je treba optimizirati, da se doseže želeni odziv zaprte zanke. Če se okoli ADA4898-1 uporabi višja vrednost upora v povratni zanki, se zaradi visoke vhodne kapacitivnosti v ojačitvi zaprte zanke pojavi več vrhov. Da bi se izognili tej težavi, je treba okoli ADA4898-1 vzporedno uporabiti večjo vrednost upora in kondenzatorja v povratni zanki. Tu je izbrana optimalna vrednost Cc 2,7 pF, kot je priporočeno v podatkovnem listu ADA4898-1 [5], kot je prikazano na sliki 2. Manjši Cc bo povzročil minimalno povečanje ojačenja, medtem ko bo prevelik Cc vplival na ravnost ojačenja zaprte zanke.
Napajanje PGIA
±15 V napajanje je potrebno za napajanje vhodnega dela PGIA, ki ga sestavljata dva hitra ojačevalnika ADA4898-1 in multiplekser ADG1209, medtem ko ADA4945-1 FDA potrebuje 6 V in 2 V napajalno vodilo, da doseže optimalno zmogljivost signalne verige. Čeprav ta plošča zahteva namizne napajalnike, je priporočeno napajati vezje z LTpowerPlanner® [6]. Tok, ki napaja vsako od vodil za vezje PGIA, je prikazan na sliki 4.
PGIA performanse
Pasovna širina
Slika 5 prikazuje diagram odvisnosti ojačenja zaprte zanke od frekvence za različne nastavitve ojačenja. S povečanjem ojačenja PGIA od 2 do 128 se bo zmanjšala pasovna širina, hkrati pa se bo povečal šum na izhodu (RTO); zato se bo zmanjšalo razmerje signal/šum (SNR).
CMRR
Slika 6 prikazuje graf CMRR v odvisnosti od frekvence za različne nastavitve ojačenja PGIA.
Popačenje
Analizator signalov Audio Precision® (APX555) je bil uporabljen za testiranje popačenja PGIA plošče (slika 4), njegov izhod pa je bil nastavljen na 8,192 V p-p z uporabo različnih vhodnih napetosti za različne nastavitve ojačenja. Slika 7 prikazuje skupno harmonsko popačenje (THD) glede na frekvenco delovanja diskretne PGIA plošče s široko pasovno širino.
Povzetek ključnih specifikacij
Povzetek ključnih PGIA specifikacij, kot so pasovna širina, hitrost rasti signala (angl. slew rate), drsenje in popačenje, izmerjeni na preskusni napravi z diskretno PGIA ploščo (slika 4), je prikazan v tabeli 3.
PGIA, ki poganja μModule Solutions signalno verigo
Slika 8 prikazuje, da izbranemu vhodu multiplekserja sledita dva nizkošumna hitra ojačevalnika ADA4898-1 v kombinaciji z mrežo uporov LT5400 s štirimi natančnimi umerjenimi upori, ki poganjajo µmodul signalne verige ADAQ23875 pri 15 MSPS. ADAQ23875 ima notranji polno diferencialni ojačevalnik, zato je treba FDA blok PGIA diskretne plošče s široko pasovno širino (slika 4) obiti. Za meritev SNR in THD se uporablja signalni vir Audio Precision (APx555), v tem primeru pa je bila vhodna amplituda nastavljena okoli -0,5 dBFS.
Zmogljivost celotne signalne verige
Šum
Dinamično območje in šum na vhodu (RTI) za določeno vhodno območje ali nastavitev ojačenja celotne signalne verige (slika 8) sta prikazana v tabeli 4.
Uspešnost SNR glede na frekvenco diskretnega PGIA, ki poganja ADAQ23875, je prikazana na Sliki 9, ko se uporabljajo ADA4898-1 ojačevalniki. Skupno dinamično območje ali poslabšanje SNR zaradi povečanja ojačenja PGIA je posledica značilnega šuma posameznih uporov, ojačevalnikov in μModule rešitev.
Natančnost delovanja ADAQ23878 merilnika v kombinaciji z visoko stopnjo vzorčenja zmanjšuje šum in omogoča vzorčenje za doseganje izjemno nizkega efektivnega šuma ter zaznavanje signalov majhnih amplitud preko širokega frekvenčnega pasu. Z drugimi besedami, frekvenca vzorčenja 15 MSPS močno razbremeni zahteve po filtrih, ki dušijo zrcalne frekvence in poveča pasovno širino pri digitalizaciji hitrih prehodnih pojavov in majhnih signalov. Prevzorčenje pomeni vzorčenje, ki je veliko hitrejše od dvakratne pasovne širine signala, potrebne za izpolnitev Nyquistovega kriterija. Na primer, štirikratno prevzorčenje ADAQ23875 zagotavlja en dodaten bit ločljivosti ali povečanje dinamičnega razpona za 6 dB – z drugimi besedami, izboljšanje DR zaradi tega prevzorčenja je opredeljeno kot: ΔDR = 10 × log10 (OSR) v dB. Tipično dinamično območje ADAQ23875 je 91 dB pri 15 MSPS za referenco 4,096 V z vhodi, glede na maso. Na primer, če je ADAQ23875 prevzorčen s faktorjem 256×, to ustreza pasovni širini signala 29,297 kHz in dinamičnemu razponu blizu 111 dB za različne možnosti ojačenja, ki lahko natančno zazna signale z amplitudo μV. Z dodatnim prevzorčenjem je mogoče doseči kompromis med šumom in pasovno širino, ki ustreza meritvam, ki se izvajajo.
Popačenje
Slika 10 in Slika 11 prikazujeta THD signalne verige (do 100 kHz in od 100 kHz do 1 MHz), ko ADAQ23875 poganja diskretni PGIA. THD se postopoma poslabšuje s povečevanjem ojačenja PGIA in frekvence vhodnega signala, saj se začneta slabšati pasovna širina in hitrost rasti signala ADA4898-1. Slika 11 prikazuje tudi primerjavo učinkovitosti THD za dve signalni verigi, ko PGIA poganja ADAQ23875 v primerjavi s kombinacijo LTC6373 in ADA945-1, ki poganja LTC2387-16 pri 15 MSPS.
Integralna nelinearnost (INL) in diferencialna nelinearnost (DNL)
Ko PGIA poganja ADAQ23875, je pomembno tudi, da se ohrani splošna enosmerna natančnost signalne verige. Sliki 12 in 13 prikazujeta tipično delovanje INL in DNL ko ima PGIA ojačenje enako 2. Pri vseh drugih nastavitvah ojačenja sta INL in DNL običajno znotraj ±0,5 LSB.
Zaključek
V tem članku so predstavljeni vidiki zasnove diskretnega PGIA sistema s široko pasovno širino, izdelanega z ojačevalniki ADA4898-1, multiplekserjem ADG1209 in natančno usklajenimi upori LT5400. Prikazane so zelo natančne meritve od deset milivoltov do pod 10 voltov enosmernih/diferenčnih signalov, ki krmilijo 16-bitno, 15 MSPS signalno verigo ADAQ23875 μModule. Celotna signalna veriga ponuja na splošno boljšo natančnost delovanja, kot jo je mogoče doseči z uporabo monolitnih PGIA, ki so na voljo na trgu. Ta signalna veriga s široko pasovno širino je prilagojena posebnemu naboru strank, ki izdelujejo testne naprave, ki se uporabljajo v avtomatizirani testni opremi, za nadzor napajanja in v analizatorjih.
Reference
Pachchigar, Maithil. “Increase Dynamic Range of SAR ADCs Using Oversampling.”Analog Devices, Inc., June 2015.
“CN-0560: High Precision, Wide Bandwidth Current Measurement Signal Chain.”Analog Devices, Inc., June 2022.
Viri:
1: https://www.analog.com/en/products/adaq23875.html
2: https://www.analog.com/en/products/adaq23878.html
3: https://www.analog.com/en/products/ltc2387-16.html
4: https://www.analog.com/en/products/ltc2387-18.html
5: https://www.analog.com/en/products/ada4898-1.html
6: https://www.analog.com/en/design-center/ltpowercad.html
O avtorju
Maithil Pachchigar je sistemski inženir za aplikacije v poslovni enoti za industrijo in več trgov pri podjetju Analog Devices, Inc., v Wilmingtonu, MA. Odkar se je leta 2010 pridružil podjetju ADI, se osredotoča na rešitve za natančne signalne verige in podporo strankam v segmentih instrumentacije, industrije in zdravstva. V polprevodniški industriji deluje od leta 2005, je avtor in soavtor številnih tehničnih člankov. Maithil je diplomiral iz elektronike na S.V. National Institute of Technology v Indiji, magistriral na San Jose State University in magistriral na Silicon Valley University.
O avtorju
John Neeko Garlitos je inženir za uporabo izdelkov za μModule signalne verige pri podjetju Analog Devices. Ukvarja se z razvojem μModule signalnih verig in referenčnih vezij. V podjetju ADI je začel delati leta 2017 v GT na Filipinih. Na Tehnološki univerzi Filipini-Visayas je pridobil naziv diplomirani inženir elektronike, na Univerzi Filipini Diliman pa naziv magister elektrotehnike.
