就數(shù)據(jù)采集、硬件在環(huán) (HiL) 和功率分析儀等系統(tǒng)設計者而言，需要有一個模擬信號轉換鏈，能夠在通常是高達每秒 1500 萬次采樣 (MSPS) 的極高采樣率下具有高分辨率、高精度。然而，高速模擬設計在許多設計者看來就像“黑魔法”，尤其是在面對一系列影響信號完整性的隱蔽寄生現(xiàn)象時。
例如，典型的設計是分立的，包含幾個IC和元件，包括一個全差分放大器（FDA），一個一（1）階低通濾波器（LPF），一個電壓基準，以及一個高速、高分辨率的模數(shù)轉換器（ADC）。電容性和電阻性寄生現(xiàn)象出現(xiàn)在 ADC 激勵放大器 (FDA)、ADC 輸入濾波器和 ADC 內部和周圍。
消除、減少或減輕這些寄生現(xiàn)象的影響極具挑戰(zhàn)性。這需要很高的技術技能，還可能需要經(jīng)過多次電路設計和 PC 板布局迭代，必然會影響設計進度和預算。現(xiàn)在需要的是一個更完整的集成解決方案，可以解決許多類似的設計問題。
本文將描述一個分立式數(shù)據(jù)采集電路及相關布局問題，然后介紹一個包含高分辨率、高速逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 與前端 FDA 的集成模塊。本文還將介紹 Analog Devices 的 ADAQ23875 完整模塊及其相關開發(fā)板是如何通過簡化、加速設計過程來克服高速設計難題的，同時還能實現(xiàn)所需的高分辨率、高速轉換結果。
高速數(shù)據(jù)采集信號路徑
高性能 ADC 使用差分輸入，從而通過平衡輸入信號，杜絕共模噪聲和干擾來提高整體性能。當模擬 ADC 驅動器和 ADC 的輸入為全差分時，模擬 ADC 驅動器將達到最佳性能（圖 1）。使用低壓差分信號 (LVDS) 串行接口（右）使系統(tǒng)能夠以極高的速度運行，可用于數(shù)據(jù)采集、HiL 和功率分析儀應用。
圖1：一個帶有前端FDA、一階模擬濾波器和帶有高速LVDS串行接口的差分輸入SAR-ADC的高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（圖片來源：Bonnie Baker）
圖 1 中的配置能夠執(zhí)行許多基本功能，包括幅值調節(jié)、單端到差分轉換、緩沖、共模失調調節(jié)和濾波。
FDA 驅動技術
FDA 電壓反饋式 ADC 驅動器的工作原理與傳統(tǒng)放大器一樣，但有兩點不同。首先，F(xiàn)DA 有一個差分輸出，帶一個額外負輸出端 (VON)。第二，這種器件增加了一個輸入端 (VOCM)，可用于設置輸出共模電壓（圖 2）。
圖 2：FDA 有兩個輸入，含反饋回路和輸出共模電壓的電壓控制 (VOCM)。這種配置構建了一個獨立差分輸入 (VIN, dm) 和差分輸出 (VOUT, dm) 電壓。（圖片來源：Analog Devices）
在內部，F(xiàn)DA 有三個放大器構成：兩個在輸入端，第三個則充當輸出級。兩個內部輸入放大器的負反饋 (RF1, RF2) 和高開環(huán)增益決定了輸入端 VA+ 和 VA- 的特性幾乎相同。FDA 不是一個單端輸出，而是在 VOP 和 VON 之間產生一個平衡的差分輸出，共模電壓為 VOCM。
差分輸入信號（VIP 和 VIN）基于一個共模基準電壓 (VIN, cm)，幅值相等，相位相反，且采用平衡輸入信號。等式 1 和等式 2 顯示了如何計算差模輸入電壓 (VIN, dm) 和共模輸入電壓 (VIN, cm)。
等式 1
等式 2
等式 3 和等式 4 給出了輸出差分和共模的定義。
等式 3
等式 4
注意等式 4 中加入了 VOCM。
與典型的放大器電路一樣，F(xiàn)DA 系統(tǒng)的增益取決于 RGx 和 RFx 值。等式 5 和等式 6 定義了 FDA 的兩個輸入反饋因子 β1 和 β2。
等式 5
等式 6
當 β1 等于 β2 時，等式 7 給出了 FDA 的理想閉環(huán)增益。
等式 7
VOUT, dm 有助于深入了解電阻性失配性能。VOUT, dm 的一般閉環(huán)等式包括 VIP、VIN、β1、β2 和 VOCM。等式 8 顯示了 VOUT, dm 的公式，放大器的開環(huán)電壓增益表示為 A(s)。
等式 8
當 β1 ≠ β2 時，差分輸出電壓 (VOUT, dm) 的誤差主要取決于VOCM。這種非理想結果在差分輸出中會產生失調和過多的噪聲。如果 β1= β2≡ β，等式 8 變成等式 9。
等式 9
兩個輸出的平衡量是幅值和相位。幅值平衡用于衡量兩個輸出幅值是否匹配；理想情況下完全匹配。相位平衡用于衡量兩個輸出之間相位差的接近程度，理想情況下等于 180°。
FDA 穩(wěn)定性方面的考慮與標準運算放大器相同。關鍵規(guī)格是相位裕度。產品數(shù)據(jù)表會給出特定放大器配置的相位裕度；然而，PC 板布局的寄生效應會大大降低穩(wěn)定性。在負電壓反饋放大器的情況下非常明顯：穩(wěn)定性取決于其回路增益、A(s) × β、符號和幅值。相比之下，F(xiàn)DA 有兩個反饋因子。等式 8 和等式 9 的分母中都含回路增益。等式 10 描述了無匹配反饋因子情況下的回路增益（β1 ≠ β2）。
等式 10
要減小上述所有誤差，關鍵在于與分立式電阻器 RG1、RG2、RF1 和 RF2 的繁瑣而昂貴的匹配過程。
FDA 和 ADC 的綜合性能
FDA、分立電阻、一階濾波器和ADC組合講述了信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）、信噪比和失真（SINAD）以及無雜散動態(tài)范圍（SFDR），它們在整個電路精度和分辨率方面增加了FDA的性能特征。綜合規(guī)格包括 SNR、THD、SINAD 和 SFDR。FDA 有許多影響這些頻率規(guī)格的規(guī)格參數(shù)，如帶寬、輸出電壓噪聲、失真、穩(wěn)定性和建立時間，所有這些都會影響 ADC 的性能。ADC 有自己的一套規(guī)格參數(shù)。面臨的一大難題是如何選擇適當?shù)?FDA 來匹配 ADC。
電路板布局
電腦板布局是設計過程的最后一步。遺憾的是，布局在設計過程中可能會被忽視，導致電路板設計不良，這可能會影響電路性能，甚至會讓電路一文不值。這個完整的分立式電路包括集成電路、六個電阻器和多個去耦電容器（圖 3）。
圖3：FDA和SAR-ADC的一階LPF與電源去耦電容。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 3 中，破壞高速電路性能的寄生元素是 PC 板的寄生電容和電感。元器件焊盤、印制線、過孔和與電源平面并聯(lián)的接地是罪魁禍首。這些電容和電感在放大器的求和節(jié)點尤其危險，因為這些器件會在反饋響應中引入極點和零點，從而導致出現(xiàn)峰值和不穩(wěn)定。
集成解決方案
SAR轉換器可以提供一個FDA，關鍵的無源元件，一階濾波器，電壓基準和去耦電容，以提高有效的分辨率。例如，Analog Devices 的 ADAQ23875 是一款 16 位、15 MSPS 數(shù)據(jù)采集模塊，具有了所有這些要素（圖 4）。因此，該器件通過將元器件選擇、優(yōu)化和布局的設計任務從設計者轉移到集成電路，從而縮短了精密測量系統(tǒng)的開發(fā)周期。
圖4： ADAQ23875簡化了高速ADC的設計， ，將FDA、一階濾波器、SAR-ADC結合到一個模塊上，并由FDA周圍的激光微調增益電阻以及片上去耦電容支持。（圖片來源：Analog Devices）
無源片上阻性分量具有卓越的匹配和漂移特性，能最大限度減少依賴寄生的誤差源，并提供優(yōu)化性能以確保 β1 和 β2 的緊密匹配度。這些回路增益的配有助于創(chuàng)造模塊的 ±1 毫伏 (mV) 失調和 91.6 微伏均方根 (μVRMS) 總 RMS 噪聲規(guī)格。
帶隙 2.048 V 電壓基準具有低噪音和低漂移（每攝氏度百萬分之 20 (ppm/°C)），以支持 FDA 和 16 位 ADC 系統(tǒng)。結合 FDA，這些規(guī)格轉化為 SAR-ADC 90 dB SNR 精度和 ±1 ppm/°C 增益漂移。FDA 的 VOCM 引腳使用基準電壓的 2.048 V 來提供其輸出共模電壓。
內部基準緩沖器將 2.048 V 基準電壓提高至兩倍，為 ADC 基準電壓生成 4.096 V。ADC 的基準電壓與 GND 之間的電壓差決定了 ADAQ23875 SAR-ADC 的滿量程輸入范圍。另外，ADAQ23875 在基準緩沖器和 GND 之間有一個片上 10 微法 (μF) 去耦電容器，可吸收 SAR-ADC 基準轉換電荷尖峰并緩解分立式設計布局的限制。
如圖 4 所示，F(xiàn)DA 的輸入共模電壓與 FDA 的輸出共模電壓無關。從例 1 到例 3，電源電壓為：
VS+ = 7 V（FDA 正電源電壓）
VS- = -2 V（FDA 負電源電壓）
VDD = +5 V（ADC 電源電壓）
VIO = 2.5 V（模擬和數(shù)字輸出電源）
例 1 所示輸入電壓范圍為 ±1.024 V，輸入共模電壓為 -1 V。FDA 對這些信號施加 2 V/V 增益，F(xiàn)DA 的電平會使輸出電壓移動 VCMO 或 2.048 V。該過程給出的信號范圍為 ±2.048 V，以及來自 FDA 輸出端的 2.48 V CMO 共模電壓。一階濾波器的角頻率是1/（2pR x C）赫茲（Hz）或~78兆赫茲（MHz）。ADC 的信號輸入范圍為 ±2.048 V，共模電壓為 +2.048 V。
ADAQ23875 的 LVDS 數(shù)字接口提供單路或雙路輸出模式，允許用戶優(yōu)化每個應用的接口數(shù)據(jù)速率。接口的數(shù)字電源是 VIO。
ADAQ23875 有四個電源：內部 ADC 核心電源 (VDD)、數(shù)字輸入/輸出接口電源 (VIO)、FDA 正電源 (VS+) 和負電源 (VS-)。為了緩解 PC 板布局問題，所有電源引腳都有 0.1mF 或 0.2mF 片上去耦電容器。必須在 LDO 穩(wěn)壓器輸出端的 PC 板上使用高品質 2.2μF (0402, X5R) 陶瓷去耦電容器。這些穩(wěn)壓器會產生 μModule 電源軌 (VDD, VIO, VS+ 和 VS-)，可最大限度減少對電磁干擾 (EMI) 的敏感性并降低對電源線路突變的影響。所有其他所需的去耦電容器都整合在 ADAQ23875 內部，從而改善整個子系統(tǒng)的電源抑制比 (PSRR)，并節(jié)省更多的電路板空間和成本。如需使用內部基準和內部基準緩沖器，用一個 0.1 μF 陶瓷電容器將 REFIN 引腳對 GND 去耦。
ADAQ23875 模塊消除了為 ADC 選擇適當?shù)?FDA 和電阻網(wǎng)絡的麻煩，同時仍然能確保高性能和嚴格的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 規(guī)格（分別為 89.5 dB、-115.8 dB、89 dB 和 114.3 dB）（圖 5）。通常情況下，由設計者來收集系統(tǒng)的各種規(guī)格參數(shù)。ADAQ23875 的系統(tǒng)方法有助于設計人員更有效地實現(xiàn)這些規(guī)格。
圖5：ADAQ23875模塊創(chuàng)建的SNR、THD、SINAD、SFDR規(guī)格，通過了片上FDA、一階濾波器和SAR-ADC。（圖片來源：Analog Devices）
圖 5 所示為 ADAQ23875 1 kHz 差分輸入信號器件的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 的測試結果。對于特定應用，ADAQ23875 的 val-ADAQ23875FMCZ/13618511">eval-ADAQ23875FMCZ 配以軟件協(xié)助進行器件評估，具體包括器件編程、波形、柱狀圖和 FFT 捕獲。設計者可以將評估板連接 ADI 的 val-SDP-CH1Z/3771040">eval-SDP-CH1Z 系統(tǒng)演示平臺，以獲得電源并允許 PC 通過 SDP-CH1Z 的 USB 端口控制評估板（圖 6）。
圖 6：ADAQ23875FMCZ 評估板（左）與系統(tǒng)演示平臺（eval-SDP-CH1Z）板（右）相連接，允許通過 PC 的 USB 端口控制評估板。（圖片來源：Analog Devices）
使用評估板軟件，即ACE插件（Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21]）和 ACE 安裝軟件 1.21.2994.1347 [Feb 08 21]，用戶可以配置每個通道的超采樣值、輸入范圍、采樣數(shù)量并有效選擇通道。此外，該軟件還可以保存和打開測試數(shù)據(jù)文件。
結語
為了克服高速模擬設計的挑戰(zhàn)并實現(xiàn)最佳的整體數(shù)據(jù)采集性能，設計人員可以借助 ADAQ23875 模塊。這是一個完整的高速轉換系統(tǒng)，包括一個FDA、一階低通濾波器、SAR-ADC和一個去耦電容陣列，用于放大激勵信號和提供適當?shù)尿寗有盘枺约岸涡盘柕倪^濾和反饋。ADAQ23875 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊是一款高度集成的模塊，為高速數(shù)據(jù)采集、硬件在環(huán) (HiL) 和功率分析儀提供了完整的 FDA 至 SAR-ADC 解決方案，使設計擺脫了模擬“黑魔法”的束縛。
