Analog Devicesin μModule-ratkaisu ADAQ4003 on tarkoitettu tarkkojen datankeruujärjestelmien suunnittelijoiden käyttöön. Moduulirakenne nopeuttaa komponenttien valintaa ja tuotantovalmiiden prototyyppien rakentamista.

Järjestelmäarkkitehdit ja piiritason suunnittelijat käyttävät huomattavia t&k-resursseja kehittääkseen erittäin suorituskykyisiä ja tarkkoja lineaarisia erillislohkoja sovellustensa signaaliketjuihin (mittaus ja testaus, teollisuusautomaatio, terveydenhuolto, ilmailu, puolustus), joita järjestelmät hyödyntävät mittaukseen ja suojaukseen, datan keräämiseen ja muokkaamiseen. Tässä artikkelissa keskitytään erittäin tarkan datankeruun alijärjestelmiin.

Elektroniikkateollisuuden dynamiikka kehittyy nopeasti, jolloin analogisten kytkentöjen ja proto- tyyppien rakentamiselle jää entistä vähemmän aikaa, kun t&k-budjettien ja tuotteiden markkinoille tuonnin hallinta muuttuu yhä haastavammaksi. Piirisuunnittelijat vaativat tarkoilta datamuuntimilta parempaa suorituskykyä ja kestävyyttä monimutkaisia, yhä pienemmässä koossa toteutettavia, sovelluksia varten.

Heterogeeninen integrointi SiP-teknologian (System-in-Package) avulla edistää edelleen elektroniikkateollisuuden keskeisiä trendejä kuten siirtymistä suurempaan tiheyteen, parempaan toimivuuteen ja suorituskykyyn sekä pidempään vikaantumisväliin. Tämä artikkeli havainnollistaa, miten Analog Devices hyödyntää heterogeenistä integraatiota muuttaakseen tarkkojen muunnosten pelikenttää ja tarjotakseen ratkaisuja, joilla on merkittäviä vaikutuksia sovelluksiin.

Järjestelmien suunnittelijat kohtaavat logistisia haasteita, kuten komponenttien valinta ja suunnittelun optimointi lopullisille prototyypeille. Lisäksi on teknisiä haasteita, kuten AD-muuntimien tulojen ohjaaminen ja niiden suojaaminen ylijännitetapahtumilta, järjestelmän tehonkulutuksen minimointi sekä paremman suorituskyvyn saavuttaminen niukkatehoisilla mikro-ohjaimilla ja/tai digitaalisilla erottimilla.

Koska järjestelmätason ohjelmistoihin ja sovelluksiin kiinnitetään nykyään enemmän huomiota kuin itse järjestelmäratkaisuihin, OEM-valmistajat osoittavat entistä enemmän resursseja ohjelmistojen kehittämiseen laitteistojen sijasta. Tämä johtaa lisääntyneeseen paineeseen piiriratkaisujen suunnittelussa iteraatiokierrosten vähentämiseksi.

Tiedonkeruun signaaliketjuja kehittävät suunnittelijat vaativat yleensä suurta tuloimpedanssia, jotta voidaan käyttää suoria liitäntöjä erilaisiin antureihin. Signaaliketjuissa voi esiintyä vaihtelevia yhteismuotojännitteitä ja yksi- tai kaksinapaisia maatasoon verrannollisia tai differentiaalisia tulosignaaleja. Jos tutkitaan kokonaisvaltaisesti erilliskomponentein toteutettua tyypillistä signaaliketjua, on helppo ymmärtää joitakin järjestelmäsuunnittelun tärkeimpiä teknisiä kipupisteitä. Alle olevassa kuvassa on esitetty huipputarkan datankeruun alijärjestelmä, jossa instrumentointivahvistimen 20 Vpp lähtö syötetään differentiaalivahvistimen (FDA) positiiviseen tuloon.

Tämä FDA-vahvistin tarjoaa tarvittavan signaalinmuodostuksen tasonsiirtoineen ja vaimentaa signaalin sekä asettaa lähdön vaihtelemaan nollan ja viiden voltin välillä. Vaiheeltaan käänteiset signaalit tuottavat 10 Vpp differentiaalisen signaalin AD-muuntimen tuloasteelle dynaamisen alueen maksimoimiseksi. Instrumentointi-vahvistimen syöttöjännite saadaan ±15 V kaksoislähteestä, kun taas FDA saa käyttötehonsa +5/-1 voltin lähteestä ja AD- muunnin +5 voltin lähteestä. Takaisinkytkentävastusten (RF1 = RF2) suhde vahvistusvastuksiin (RG1 = RG2) asettaa FDA:n vahvistuskertoimeksi 0,5. FDA:n kohinanvahvistus (NG) määritellään seuraavasti:

Missä β1 ja β2 ovat takaisinkytkentäkertoimet:

Artikkelin tässä osassa esitetään, kuinka piirin epätasapaino (eli β1 ≠ β2) tai takaisinkytkentä- ja vahvistusvastusten epäsovitus (RG1, RG2, RF1, RF2) FDA:n ympärillä vaikuttavat tärkeimpiin spesifikaatioihin kuten signaali/ kohina-suhteeseen, säröön, lineaarisuuteen, vahvistus- virheeseen, ryömintään ja yhteismuodon vaimennussuhteeseen (CMRR). FDA:n differentiaalinen lähtöjännite riippuu jännitteestä VOCM. Jos takaisinkytkentäkertoimet β1 ja β2 eivät ole yhtä suuret, lähtö- signaalin amplitudin tai vaiheen epätasapaino tuottaa lähtöön epätoivotun yhteismuotoisen komponentin, jota vahvistetaan kohinanvahvistuskertoimella, mikä synnyttää ylimääräisen kohinan ja tasopoikkeaman FDA:n differentiaaliseen lähtöön.

Siksi on välttämätöntä, että vahvistus/takaisinkytkentä- vastukset on sovitettu tarkasti. Toisin sanoen tulolähteen impedanssin ja vastuksen RG2 (RG1) tulisi vastata toisiaan (eli β1 = β2), jotta vältetään signaalin säröytyminen ja kunkin lähtösignaalin yhteismuotoisen jännitteen epäsovitus sekä estetään FDA-vahvistimelta tulevan yhteismuotoisen kohinan lisääntyminen. Yksi tapa tasapainottaa differentiaalista offsetia ja välttää lähdön säröytymistä on lisätä ulkoinen vastus sarjaan vahvistusvastuksen (RG1) kanssa. Lisäksi vahvistusarvon ryömintään vaikuttaa myös vastustyypin valinta. Ohutkalvo-vastuksella on alhainen lämpötilakerroin, mutta vastusten valinta on haasteellista kustannusten ja piirilevytilan asettamien rajoitusten puitteissa.

Lisäksi epätavallisten kaksipuolisten jännitelähteiden toteuttaminen on haasteellista monille suunnittelijoille, koska niiden piirilevyihin liittyy lisäkustannuksia ja rakenteellisia rajoituksia. Suunnittelijoiden on myös huolellisesti valittava optimaaliset passiivikomponentit, mukaan lukien RC-alipäästö- suodin (joka on sijoitettu ADC- ohjaimen lähdön ja AD-muuntimen tulojen väliin) sekä suodatuskondensaattori SAR ADC:n (Successive Approximation Register) dynaamista referenssisolmua varten.

RC-suodin auttaa rajoittamaan kohinaa AD-muuntimen tuloissa ja vähentää SAR ADC:n kapasitiivisesta DAC-tulosta tulevien ’takapotkujen’ vaikutusta. Kondensaattorien on syytä olla C0G- tai NP0-tyyppisiä ja sarja- vastusten resistanssien järkevän kokoisia, jotta vahvistin pysyy vakaana ja lähtövirta sallituissa rajoissa. Lopuksi osien sijoittelu piirilevylle on erittäin tärkeä tekijä signaalin eheyden säilyttämiseksi ja signaaliketjulta odotettavan suorituskyvyn saavuttamiseksi.

HELPOTUSTA SUUNNITTELUTYÖHÖN

Monet järjestelmien suunnittelijat toteuttavat samaa signaaliketju-arkkitehtuuria eri sovelluksille. Yksi ratkaisu ei kuitenkaan sovi kaikille, joten Analog Devices (ADI) on keskittynyt signaaliketjun yleisiin osiin eli signaalinkäsittelyyn ja digitointiin tarjoamalla signaaliketjuihin täydellisempiä μModule-ratkaisuja, joilla on pitkälle kehitetty suorituskyky ja jotka kaventavat kuilua erillisten standardikomponenttien ja erittäin pitkälle integroitujen asiakaskohtaisten IC-piirien välillä. Yhtiön kehittämä ADAQ4003 on SiP-ratkaisu, joka tarjoaa parhaan tasapainon t&k-kustannusten ja koon pienentämisen välille nopeuttaen samalla prototyyppien suunnitteluaikaa.

Huipputarkkaan datankeruuseen tarkoitettu μModule-ratkaisu ADAQ4003 sisältää useita yleisiä signaalin käsittely- ja muokkaus- lohkoja sekä kriittisiä passiivi- komponentteja, jotka on yhdistetty yhdeksi moduuliksi käyttämällä ADI:n edistynyttä SiP-tekniikkaa. Pienikohinainen moduuli sisältää FDA- vahvistimen, vakaan referenssi- puskurin sekä 18 bitin erottelu- kykyyn yltävän 2 Ms/s SAR ADC -muuntimen.

ADAQ4003 yksinkertaistaa erittäin tarkkojen mittausjärjestelmien signaaliketjujen suunnit- telua ja kehityssykliä siirtämällä komponenttien valinnan, optimoinnin ja osien sijoittelun suunnittelijalta valmiiseen moduuliin ja ratkaisee kaikki tärkeimmät edellä mainitut ongelmat. FDA:n ympärille sijoitettu tarkkuusvastusten ryhmä on muodostettu käyttämällä ADI:n omaa iPassives- teknologiaa, joka hoitaa piirien epätasapainon, vähentää loissignaaleja ja auttaa saavuttamaan jopa 0,005% vahvistuk- sen sovituksen sekä optimoidun ryömintätason (1 ppm/°C).

iPassives-teknologia tarjoaa myös kokoedun erillisiin passiivikomponentteihin verrattuna, mikä minimoi lämpötilasta riippuvat virhelähteet ja vähentää järjestelmätason kalibrointitarvetta. FDA:n nopea asettuminen ja laaja yhteismuotoinen tuloalue sekä tarkasti määritettävissä olevat vahvistusvaihtoehdot (0,45, 0,52, 0,9, 1 tai 1,9) mahdollistavat vahvistuksen tai vaimennuksen säätämisen ja täysin differentiaaliset tai maatasoon verrannolliset tulot.

ADAQ4003 sisältää ADC-ohjaimen ja AD-muuntimen välille sijoitetun yksinapaisen RC- suotimen, joka on suunniteltu optimoimaan asettumisaika ja tulosignaalin kaistanleveys. Kaikki tarvittavat suodatuskondensaattorit jännitteen referenssisolmulle ja teholähteille auttavat pitämään materiaalikulut kurissa.

ADAQ4003 sisältää myös referenssipuskurin, joka on konfiguroitu ykkösvahvistukselle ohjaamaan optimaalisesti SAR ADC - referenssisolmun dynaamista tuloimpedanssia. REF-nastaan sijoitettu 10 μF kondensaattori on kriittinen vaatimus, joka auttaa täydentämään sisäisen kapasitiivisen DAC:n varausta bittipäätösprosessin aikana.

Tämä on välttämätöntä muunnoksen huippusuorituskyvyn saavuttamiseksi. Kun mukana on referenssipuskuri, käyttäjä voi hyödyntää paljon pienempi- tehoista referenssilähdettä kuin monissa perinteisissä SAR ADC -pohjaisissa signaaliketjuissa, koska referenssilähde ohjaa suuren impedanssin solmua SAR-kondensaattoriryhmän dynaamisen kuormituksen sijaan. Käyttäjä voi joustavasti valita referenssipuskurin tulojännitteen, joka vastaa haluttua tuloaluetta.

TIHEYTTÄ JA HELPPOUTTA PIIRILEVYSUUNNITTELUUN

ADAQ4003:n 7x7-millinen BGA- kotelo pienentää tarvittavan piirilevyalan alle neljäsosaan verrattuna perinteiseen erilliskomponentein toteutettuun signaaliketjuun (kuva 3), mikä mahdollistaa pienikokoiset lait- teet suorituskyvystä tinkimättä.

Piirilevysuunnittelu on kriittinen vaihe signaalin eheyden säilyttämisessä ja signaaliketjulta odotetun suorituskyvyn saavuttamiseksi. ADAQ4003:n nastajärjestys helpottaa osien sijoittelua ja sallii analogisten signaalien sijoittamisen vasemmalle puolelle ja digitaalisten signaalien oikealle puolelle. Toisin sanoen tämä mahdollistaa sen, että suunnittelijat voivat pitää herkät analogiset ja digitaaliset lohkot erillään ja näin välttää signaalipolkujen risteämisen vähentääkseen säteile- mällä siirtyvää kohinaa.

ADAQ4003 sisältää kaikki tarvittavat (alhaisen ESR- ja ESL- lukeman) suodatuskondensaattorit REF- ja teholähde- nastoja (VS+, VS-, VDD ja VIO) varten. Nämä kondensaattorit tarjoavat korkeille taajuuksille matalaimpedanssisen polun maatasoon virtapiikkien suodattamiseksi.

Ulkoisia suodatuskondensaattoreita ei vaadita ja ilman niitä toiminnassa ei ole havaittu mitään vaikutusta suorituskykyyn tai minkäänlaisia EMI-ongelmia. Vaikutusta suorituskykyyn testattiin ADAQ4003-evaluointi- kortilla poistamalla ulkoiset suodatuskondensaattorit referenssi- ja LDO-regulaattorien lähdöistä, jotka muodostavat sisäiset syöttölinjat (REF, VS+, VS−, VDD ja VIO). Kuvasta 4 nähdään, että kaikki häiriöt ovat alle –120 dB riippumatta siitä, käytetäänkö ulkopuolisia kondensaattoreita vai ei.

ADAQ4003:n pieni koko mahdollistaa suuren kanavatiheyden piirilevyllä vähentäen samalla lämpöhaasteita. Yksittäisten komponenttien sijoittelu levylle ja eri signaalien reititys on kuitenkin ratkaisevan tärkeää. Tulo- ja lähtösignaalien symmetrinen reititys on erityisen tärkeää, samoin tehonsyöttöpiirien pitäminen erillään signaalireiteistä erillisen piirilevykerroksen avulla. Näin voidaan tarjota matalaimpedanssiset reitit ja vähentää häiriöiden vaikutusta syöttölinjoihin sekä välttää EMI-ongelmia.

ADAQ4003-PIIRIN OHJAUS PGIA-VAHVISTIMELLA

Kuten aiemmin mainittiin, korkean tuloimpedanssin etuasteita vaaditaan tyypillisesti silloin, kun kytkeydytään suoraan erilaisiin antureihin. Suurin osa instrumentoinnista ja ohjelmoitavan vahvistuksen instrumentointivahvistimista (PGIA) käyttää yksipuolisia lähtöjä, jotka eivät voi suoraan ohjata täysin differentiaalista tiedonkeruun signaali- ketjua. Korkean impedanssin PGIA-vahvistinpiiri LTC6373 tarjoaa kuitenkin alhaisen kohinan ja särön sekä laajan kaistan- leveyden omaavat täysin differentiaaliset lähdöt, joilla voidaan suoraan ohjata ADAQ4003-moduulia tinkimättä tarkasta suorituskyvystä, joten se sopii monenlaisiin signaaliketjun sovelluksiin. LTC6373:n lähtö ja tulo ovat DC-kytkettyjä, lisäksi vahvistusasetus on ohjelmoitavissa (käyttäen A2-, A1- ja A0- nastoja).

LTC6373-piiriä voidaan käyttää differentiaalisen tulon ja differentiaalisen lähdön sekä ±15 V kaksoissyötön konfiguraatiossa. LTC6373- vahvistinta voidaan tarvittaessa käyttää myös yksipuolisen tulon ja differentiaalisen lähdön kokoonpanossa. LTC6373 ohjaa suoraan ADAQ4003-moduulia vahvistusarvolla 0,454. LTC6373:n VOCM-nasta on kytketty maahan ja sen lähdöt vaihtelevat välillä -5,5...+5,5 V (vastakkaisessa vaiheessa). ADAQ4003-piirin sisäinen FDA muuttaa LTC6373:n lähdöt vastaamaan ADAQ4003:lle haluttua yhteismuotoista tulo- signaalia ja tarjoaa amplitudin, joka tarvitaan ADAQ4003 μModulen sisällä olevan AD- muuntimen differentiaalisen signaalialueen suurimman 2 x VREF huipusta huippuun - jännitteen saavuttamiseksi.

SOVELLUSESIMERKKINÄ ATE

Seuraavassa keskitytään siihen, miten erinomaisesti ADAQ4003 sopii automaattisissa mittaus- järjestelmissä (ATE) hyödynnettäviin SMU-mittausyksiköihin (Source Measurement Unit) ja teholähteisiin. Näitä modulaarisia instrumentteja käytetään testattaessa monenlaisia sirutyyppejä nopeasti kasvaville älypuhelin-, 5G-, ajoneuvo- ja IoT-markkinoille. Nämä tarkkuuslaitteet voivat toimia sekä kuormana että lähteenä, mikä vaatii kullekin kanavalle ohjaussilmukan, joka huolehtii ohjelmoidusti jännitteen ja virran säätämisestä. Ne vaativat suurta tarkkuutta (erityisesti lineaarisuutta), nopeutta ja laajaa dynaamista aluetta (μA/μV -signaalitasojen mittaamiseksi), monotonisuutta sekä pientä kokoa rinnakkaisten kanavien määrän lisäämiseksi.

ADAQ4003 tarjoaa ennennäkemättömän tarkkuuden, vähentää loppujärjestelmän osien määrää ja mahdollistaa suuremman kanavatiheyden piirilevytilan asettamien rajoitusten puitteissa. Samalla moduuli helpottaa kalibroinnin tarvetta ja lämmön- hallinnan haasteita, jotka ovat tyypillisiä kaikille skaalautuvia DC-mittauksia hyödyntäville testauslaitteille.

ADAQ4003:n huippuluokan tarkkuus yhdistettynä suureen näytenopeuteen vähentää kohinaa. Viiveetön toiminta tekee siitä ideaalisen ohjaussilmukkaa hyödyntäviin sovelluksiin tarjoa- malla optimaalisen askelvasteen ja nopean asettumisen mittausten tehostamiseksi. ADAQ4003 poistaa puskurien tarpeen referenssijännitteiden jakamisessa laitteille. Koska ryömintä ja ikääntyminen sanelevat testaus- laitteen tarkkuuden, ADAQ4003:n deterministinen ryömintä vähentää uudelleenkalibroinnin kustannuksia ja laitteen seisokkeja.

ADAQ4003 parantaa instrumenttien kykyä mitata alhaisimpia virta- ja jännitealueita sekä helpottaa ohjaussilmukan optimointia erilaisille kuormitus- olosuhteille. Tämä johtaa suoraan käyttöominaisuuksien, testaus- tehokkuuden, suorituskyvyn ja kustannustehokkuuden paranemiseen. Näiden instrumenttien suurempi testaustehokkuus ja lyhyemmät testausajat johtavat suoraan loppukäyttäjien alhaisempiin testauskustannuksiin.

Suuri läpimenonopeus antaa ADAQ4003:lle mahdollisuuden ylinäytteistykseen mahdollisimman alhaisen kohinan saavuttamiseksi ja amplitudiltaan hyvin pienten signaalien havaitsemiseksi laajalla kaistanleveydellä. ADAQ4003:n ylinäytteistys kertoimella neljä tuo yhden lisäbitin resoluutioon (tämä on mahdollista vain siksi, että ADAQ4003 tarjoaa riittävän lineaarisuuden –) eli lisää dynaamista aluetta 6 dB. Toisin sanoen ylinäytteistyksen ansiosta saatava dynaamisen alueen (DR) parannus määritellään seuraavasti:

ΔDR = 10 × log10 (OSR) dB

ADAQ4003:n tyypillinen dynaaminen alue 2 Ms/s nopeudella on 100 dB viiden voltin referenssi- jännitteellä, kun tulot on oikosuljettu maahan. Koska ADAQ4003 ylinäytteistää kertoimella 1024x lähdön datanopeudella 1,953 ks/s, se tarjoaa ennätyksellisen noin 130 dB dynaamisen alueen vahvistus- kertoimilla 0,454 ja 0,9.

Tämän ansiosta voidaan havaita hyvin tarkasti erittäin pienet mikrovolttiluokan amplitudit. Kuvassa 10 nähdään ADAQ4003:n dynaaminen alue ja signaali/kohina-suhde ylinäytteistyksen eri nopeuksilla sekä tulo- taajuuksilla 1 kHz ja 10 kHz.

REILUSTI LISÄARVOA SOVELLUKSIIN

Tarkkojen datankeruujärjestelmien suunnittelun alueella Analog Devices hyödynsi vankkaa osaamistaan lineaari- ja muunninpiireissä kehittäessään signaaliketjuun tarkoitetun ADAQ4003 μModule -ratkaisun. ADAQ4003 mahdollistaa vaikeimpien teknisten ongelmien ratkaisemisen. ADAQ4003 keventää suunnittelutaakkaa, kuten komponenttien valintaa ja tuotantoon valmiiden prototyyppien rakentamista, ja antaa järjestelmien suunnittelijoille mahdollisuuden toimittaa edistyneitä järjestelmäratkaisuja loppu- asiakkaille entistä nopeammin.

ADAQ4003 μModule:n ennennäkemättömän tarkka suoritus kyky ja pieni koko tuovat lisäarvoa moniin sovelluksiin, jotka keskittyvät datan tarkkaan muuntamiseen lukuisissa eri kohteissa kuten automaattisissa testaus- laitteissa (SMU, DPS), elektroniikan mittauksissa (impedanssimittaus), terveydenhuollossa (elintoimintojen seuranta, diagnostiikka, kuvantaminen), ilmailussa sekä monissa teollisissa käyttökohteissa (koneautomaation tulo- ja lähtömoduulit).

ADAQ4003:n kaltaiset mikromoduuliratkaisut vähentävät merkittävästi järjestelmän suunnittelun kokonaiskustannuksia. Ne alentavat piirilevyjen kokoonpanokustannuksia parantamalla tuotantoerien välistä saantoa ja mahdollistavat suunnittelun uudelleenkäytön skaalautuvilla/modulaarisilla alustoilla sekä yksinkertaistavat kalibrointitoimia loppusovelluksessa nopeuttaen näin tuotteiden markkinoille tuomista.

Artikkeli on luettavissa uudesta ETNdigi-lehdestä täällä.