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증폭기가 내장된 모듈 사용을 통해 고속 ADC 설계의 '난제' 해결

작성자: Bonnie Baker

Digi-Key 북미 편집자 제공

데이터 취득, HIL(Hardware-in-the-Loop), 전력 분석기와 같은 시스템의 설계자는 최대 15MSPS의 매우 높은 샘플링 속도에서 높은 분해능과 높은 정확도를 실현할 수 있는 아날로그 신호 컨버터 체인이 필요합니다. 하지만 많은 설계자, 특히 신호 무결성에 영향을 주는 숨겨진 기생 용량 문제를 겪고 있는 설계자에게 고속 아날로그 설계는 '난제'로 보일 수 있습니다.

예를 들어 일반적인 설계는 이산 소자 방식이며, 완전 차동 증폭기(FDA), 1차 저역 통과 필터(LPF), 전압 레퍼런스, 고속 고분해능 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 비롯한 다양한 IC 및 부품을 포함합니다. 정전 용량 및 저항 기생 용량은 ADC 구동기 증폭기(FDA), ADC 입력 필터 및 ADC 내부와 그 주위에 있습니다.

이러한 기생 효과를 제거하거나 축소 또는 완화하는 것은 까다로운 일입니다. 그러기 위해 높은 수준의 기술이 필요하고 많은 회로 설계 주기와 pc 기판 레이아웃을 반복해야 해서 설계 일정과 예산에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 이러한 많은 설계 문제를 해결하는 보다 완벽하고 통합된 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 이산 소자 데이터 취득 회로와 관련 레이아웃 문제를 살펴본 다음 프런트 엔드 PDA가 탑재된 고분해능 고속 연속 근사화 레지스터(SAR)를 포함하는 통합 모듈을 소개합니다. 또한 Analog DevicesADAQ23875 전체 모듈과 관련 개발 기판에서 필요한 고분해능 고속 변환 결과를 실현하면서 설계 공정을 간소화 및 가속화하여 고속 설계 문제를 해결하는 방법을 살펴봅니다.

고속 데이터 취득 신호 경로

고성능 ADC는 차동 입력을 사용하여 입력 신호를 조율하고 공통 모드 잡음과 전파 방해를 제거함으로써 전체 성능을 개선합니다. 아날로그 ADC 구동기는 아날로그 ADC 구동기와 ADC에 대한 입력이 완전 차동 방식일 때 최적의 성능을 실현합니다(그림 1). 저전압 차동 신호(LVDS) 직렬 인터페이스(오른쪽)를 사용하면 시스템을 초고속으로 작동하여 데이터 취득, HiL 및 전력 분석기 응용 제품을 처리할 수 있습니다.

프런트 엔드 FDA가 탑재된 고주파 데이터 취득 시스템의 구성도그림 1: 프런트 엔드 FAD가 탑재된 고주파 데이터 취득 시스템, 1차 아날로그 필터, 고속 LVDS 직렬 인터페이스가 탑재된 차동 입력 SAR-ADC (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 1에 나오는 구성은 증폭 비율 조정, 단일 종단-차동 변환, 버퍼링, 공통 모드 오프셋 조정, 필터링 등 많은 필수 기능을 수행합니다.

FDA 구동기 기술

FDA 전압 피드백 ADC 구동기는 두 가지 차이점을 제외하고 기존 증폭기처럼 작동합니다. 첫째, FDA는 추가 음성 출력 단자(VON)에서 차동 출력을 제공합니다. 둘째, 출력 공통 모드 전압을 설정하는 추가된 입력 단자(VOCM)가 있습니다(그림 2).

피드백 루프와 전압 제어를 통한 두 가지 입력을 지원하는 FDA의 구성도그림 2: FDA는 출력 공통 모드 전압의 피드백 루프와 전압 제어(VOCM)를 통해 두 가지 입력을 제공합니다. 이 구성에서는 독립 차동 입력(VIN, dm) 전압과 차동 출력(VOUT, dm) 전압을 생성합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

내부적으로 FDA에는 세 개의 증폭기(입력 단계에 2개, 출력 단계에 1개)가 있습니다. 두 내부 입력 증폭기의 음수 피드백(RF1, RF2)과 높은 개방 루프 이득은 입력 단자, VA+ 및 VA–의 동작이 거의 동일하다는 것을 보여줍니다. 단일 종단 출력 대신 FDA에서는 공통 모드 전압 VOCM에서 VOP와 VON 간에 균형 조정된 차동 출력을 생성합니다.

차동 입력 신호(VIP 및 VIN)는 균형 조정된 입력 신호에서 공통 모드 레퍼런스 전압(VIN, cm) 주위에서 진폭은 동일하고 위상은 반대입니다. 방정식 1과 방정식 2는 차동 모드 입력 전압(VIN, dm)과 공통 모드 입력 전압(VIN, cm)을 계산하는 방법을 보여줍니다.

방정식 1 방정식 1

방정식 2 방정식 2

방정식 3과 방정식 4는 출력 차동 모드와 공통 모드 정의를 제공합니다.

방정식 3 방정식 3

방정식 4 방정식 4

방정식 4에서는 VOCM이 추가된 것에 유의하십시오.

일반 증폭기 회로와 마찬가지로 FDA 시스템의 이득은 RGx 값과 RFx 값에 따라 달라집니다. 방정식 5와 방정식 6은 PDA의 두 입력 피드백 계수 β1과 β2를 정의합니다.

방정식 5 방정식 5

방정식 6방정식 6

β1과 β2가 같을 때 방정식 7은 PDA에 이상적인 폐쇄 루프 이득을 제공합니다.

방정식 7방정식 7

VOUT, dm은 저항성 불일치 성능에 관한 정보를 제공합니다. VOUT, dm에 대한 일반 폐쇄 루프 방정식에는 VIP, VIN, β1, β2 및 VOCM이 포함됩니다. 방정식 8은 증폭기의 개방 루프 전압 이득이 A(s)와 같을 때 VOUT, dm에 대한 수식을 보여줍니다.

방정식 8 방정식 8

β1 ≠ β2일 때 차동 출력 전압(VOUT, dm) 오차는 주로 VOCM에 따라 달라집니다. 바람직하지 않은 이 결과는 차동 출력에서 오프셋을 생성하고 과도한 잡음을 발생합니다. β1 = β2 ≡ β이면 방정식 8은 방정식 9와 같습니다.

방정식 9 방정식 9

두 출력 균형 요소는 진폭과 위상입니다. 진폭 균형에서는 두 출력 진폭이 일치하는지 여부를 측정합니다. 두 진폭이 정확히 일치하는 것이 이상적입니다. 위상 균형에서는 이상값 180°에서 두 출력 간 위상 차이의 일치 정도를 측정합니다.

FDA 안정성 고려 사항은 표준 연산 증폭기의 경우와 동일합니다. 주요 사양은 위상 마진입니다. 제품 규격서에는 특정 증폭기 구성에 대한 위상 마진이 제공되지만, pc 기판 레이아웃 기생 효과로 인해 안정성이 크게 저하될 수 있습니다. 음수 전압 피드백 증폭기의 경우에는 매우 간단합니다. 즉, 안정성이 루프 이득, A(s) × β, 부호 및 크기에 따라 달라집니다. 반대로 FDA에는 두 피드백 계수가 있습니다. 방정식 8과 방정식 9에서는 분모에 루프 이득이 있습니다. 방정식 10은 일치하지 않는 피드백 계수 사례(β1 ≠ β2)에 대한 루프 이득을 설명합니다.

방정식 10 방정식 10

위의 모든 오차를 완화하려면 이산 소자 저항기 RG1, RG2, RF1 및 RF2를 사용하여 일치 공정을 실시해야 합니다. 이 공정은 번거롭고 많은 비용이 듭니다.

FDA 및 ADC 결합 성능

FDA, 이산 소자 저항기, 1차 필터 및 ADC 조합은 전체 회로 정확성과 분해능에서 FAD의 성능 특성에 추가되는 신호 대 잡음비(SNR), 총 고조파 왜곡(THD), 신호 대 잡음 및 왜곡(SINAD) 및 스퓨리어스가 없는 작동 범위(SFDR) 관련 정보를 제공합니다. 결합된 사양에는 SNR, THD, SINAD 및 SFDR이 포함됩니다. FDA에는 대역폭, 출력 전압 잡음, 왜곡, 안정성, 정착 시간을 비롯하여 이러한 주파수 사양과 ADC의 성능에 영향을 주는 다양한 사양이 있습니다. ADC는 자체 사양이 있습니다. ADC와 일치하는 적절한 FAD를 선택하는 것이 매우 중요합니다.

기판 레이아웃

Pc 기판 레이아웃은 설계 공정의 마지막 단계입니다. 하지만 레이아웃은 간과되기 쉬운 설계 단계로서, 잘못된 기판 설계로 인해 회뢰의 성능이 저하되거나 회로가 쓸모 없게 될 수 있습니다. 이 완전한 이산 소자 회로에는 집적 회로 3개, 저항기 6개, 감결합 커패시터 여러 개가 있습니다(그림 3).

전원 공급 장치 감결합 커패시터가 있는 1차 LPF 탑재 FDA 및 SAR-ADC의 구성도그림 3: 전원 공급 장치 감결합 커패시터가 있는 1차 LPF 탑재 FDA 및 SAR-ADC (이미지 출처: Analog Devices)

그림 3에서 고속 회로 성능을 훼손하는 기생 소자는 pc 기판 기생 정전 용량 및 유도 용량입니다. 소자 패드, 트레이스, 바이어스, 전력면과 평행 접지 등이 주요 원인입니다. 이러한 정전 용량과 유도 용량은 증폭기의 가산 노드에서 특히 위험합니다. 즉, 피드백 응답에서 극과 제로를 유도하여 피킹과 불안정성을 야기합니다.

통합 솔루션

SAR 컨버터는 FDA, 중요 수동 소자, 1차 필터, 전압 레퍼런스 및 감결합 커패시터를 제공하여 유효 분해능을 개선할 수 있습니다. 예를 들어 Analog Devices의 ADAQ23875는 이러한 소자가 모두 탑재된 16비트 15MSPS 데이터 취득 모듈입니다(그림 4). 따라서 설계자의 소자 선택, 최적화 및 레이아웃 설계 부하를 집적 회로로 전가하여 정밀 측정 시스템의 개발 주기를 단축합니다.

고속 ADC의 설계를 간소화하는 Analog Devices의 ADAQ23875 구성도(확대하려면 클릭)그림 4: ADAQ23875는 FDA, 1차 필터 및 SAR-ADC를 FDA 주위의 레이저 트리밍된 이득 저항기와 온칩 감결합 커패시터에 의해 지원되는 단일 모듈로 결합하여 고속 ADC 설계를 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

수동 소자 온칩 저항 부품은 탁월한 정합 및 드리프트 특성을 소유하여 기생 종속 오류 원인을 최소화하고 β1과 β2의 근접 정합을 보장하는 최적화된 성능을 제공합니다. 이러한 루프 이득의 정합을 통해 모듈의 ±1mV 오프셋 및 91.6µVRMS 총 RMS 잡음 사양을 실현할 수 있습니다.

밴드갭 2.048V 전압 레퍼런스는 잡음과 드리프트(20ppm/°C)를 낮추어 FDA 및 16비트 ADC 시스템을 지원합니다. FDA와 함께 이러한 사양은 SAR-ADC 90dB SNR 정확도와 ±1ppm/°C 이득 드리프트를 실현합니다. FDA의 VOCM 핀은 2.048V 레퍼런스 전압을 사용하여 출력 공통 모드 전압을 제공합니다.

내부 레퍼런스 버퍼는 2.048V 레퍼런스 전압의 2배인 4.096V ADC 레퍼런스 전압을 생성합니다. ADC 레퍼런스와 GND 사이의 전압 차이에 따라 ADAQ23875 SAR-ADC의 전체 범위 입력 범위가 결정됩니다. 또한 ADAQ23875는 레퍼런스 버퍼와 GND 사이에 온칩 10μF 감결합 커패시터가 있어서 SAR-ADC 레퍼런스 전환 전하를 흡수하고 이산 소자 설계 레이아웃 제한을 완화합니다.

그림 4와 같이 FDA의 입력 공통 모드 전압은 FDA의 출력 공통 모드 전압과 상관이 없습니다. 예제 1 ~ 예제 3에서 전원 공급 장치 전압은 다음과 같습니다.

VS+ = 7V(FDA 양수 공급 전압)

VS- = -2V(FDA 음수 공급 전압)

VDD = +5V(ADC 공급 전압)

VIO = 2.5V(아날로그 및 디지털 출력 전원 공급 장치)

예제 1은 ±1.024V 입력 전압 범위와 -1V 입력 공통 모드 전압을 보여줍니다. FDA는 이러한 신호에 2볼트/볼트 이득을 적용하고, FDA는 출력 전압을 VCMO 값 또는 2.048V만큼 레벨 조정합니다. 이 공정에서는 2.48V VCMO의 FDA 출력에서 ±2.048V 신호 범위의 공통 모드 전압을 제공합니다. 1차 필터 코너 주파수는 1/(2pR x C)Hz 또는 78MHz 이하입니다. ADC에 대한 신호 입력 범위는 ±2.048V이고, 공통 모드 전압은 +2.048V입니다.

ADAQ23875는 1레인 또는 2레인 출력 모드가 있는 LVDS 디지털 인터페이스를 갖추고 있으므로 사용자가 각 응용 제품의 인터페이스 데이터 전송률을 최적화할 수 있습니다. 인터페이스용 디지털 전원 공급 장치는 VIO입니다.

ADAQ23875에는 내부 ADC 코어 공급 장치(VDD), 디지털 입/출력 인터페이스 공급 장치(VIO), FDA 양극 공급 장치(VS+), 음극 공급 장치(VS−)의 네 가지 전원 공급 장치가 있습니다. pc 기판 레이아웃 문제를 완화하기 위해 모든 공급 장치 핀에는 0.1mF 또는 0.2mF 온칩 감결합 커패시터가 있습니다. pc 기판의 LDO 조정기 출력부에 우수한 품질의 2.2μF(0402, X5R) 세라믹 감결합 커패시터를 배치해야 합니다. 이 커패시터는 μModule 공급 레일(VDD, VIO, VS+, VS−)을 생성하여 전자파 장해(EMI) 민감성을 최소화하고 전원 공급 장치 라인 결함에 미치는 영향을 줄입니다. 모든 다른 필수 감결합 커패시터는 ADAQ23875 내에 있으며, 전체 서브 시스템 전력 공급 제거율(PSRR)을 개선하고 추가 기판 공간과 비용을 절감합니다. 내부 레퍼런스 및 내부 레퍼런스 버퍼를 사용하려면 0.1μF 세라믹 커패시터로 REFIN 핀을 GND에 감결합합니다.

ADAQ23875 모듈은 ADC에 적절한 FDA 및 저항 네트워크를 선택해야 하는 어려움이 없으며, SNR, THD, SINAD 및 SFDR(각각 89.5dB, -115.8dB, 89dB, 114.3dB)의 우수한 성능과 엄격한 사양을 보장합니다(그림 5). 일반적으로 설계자는 시스템 사양을 최대한 이끌어 낼 책임이 있습니다. ADAQ23875의 시스템 접근 방식은 설계자가 사양을 보다 효과적으로 실현할 수 있도록 도와줍니다.

SNR, THD, SINAD, SFDR 사양을 생성하는 Analog Devices의 ADAQ23875 모듈 이미지그림 5: ADAQ23875 모듈은 온칩 FDA, 1차 필터 및 SAR-ADC를 통과하는 SNR, THD, SINAD, SFDR 사양을 생성합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5는 ADAQ23875에서 차동 1kHz 입력 신호에 대해 실시한 SNR, THD, SINAD 및 SFDR 테스트 결과를 보여줍니다. 특정 응용 제품에서의 사용을 위해, ADAQ23875용 EVAL-ADAQ23875FMCZ 기판에는 장치 프로그래밍, 파형, 히스토그램, FFT 캡처를 비롯한 장치 평가를 지원하는 소프트웨어가 있습니다. 설계자는 평가 기판을 ADI의 EVAL-SDP-CH1Z 시스템 데모 플랫폼(전력용)에 연결하고 PC에서 SDP-CH1Z의 USB 포트를 통해 평가 기판을 제어할 수 있습니다(그림 6).

EVAL-SDP-CH1Z 기판에 연결된 Analog Devices의 ADAQ23875FMCZ 기판 구성도(확대하려면 클릭)그림 6: 시스템 데모 플랫폼(EVAL-SDP-CH1Z) 기판(오른쪽)에 연결된 ADAQ23875FMCZ 평가 기판(왼쪽)은 PC의 USB 포트를 통해 평가 기판을 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

평가 기판의 소프트웨어, 기판 ADAQ23875용 ACE 플러그인 1.2021.8300[21년 2월 18일]ACE 설치 관리자 소프트웨어 1.21.2994.1347[21년 2월 8일]을 사용하여 각 채널의 초과 샘플링 값, 입력 범위, 샘플 수 및 활성 채널 선택을 구성할 수 있습니다. 테스트 데이터 파일을 저장하고 열 수 있습니다.

결론

고속 아날로그 설계의 과제를 해결하고 최적의 전체 데이터 취득 성능을 제공하기 위해 설계자는 ADAQ23875 모듈로 전환할 수 있습니다. 이 모듈은 여기 신호를 증폭하고 적절한 구동 신호를 제공하고 2차 신호를 필터링 및 공급하는 FDA, 1차 저역 통과 필터, SAR-ADC, 감결합 커패시터 어레이를 포함하는 완벽한 고속 전환 시스템입니다. 고집적 모듈인 ADAQ23875 데이터 취득 시스템 모듈은 고속 데이터 취득, rHIL(Hardware-in-the-Loop) 및 전력 분석기에 대한 완벽한 FDA - SAR-ADC 솔루션을 제공하여 아날로그 설계 '난제'를 해결합니다.

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작성자 정보

Bonnie Baker

Bonnie Baker는 아날로그, 혼합 신호 및 신호 체인 부문에서 오랜 경력을 쌓아온 전문가이자 전자 엔지니어입니다. Baker는 다양한 업계 저널에 기술 기사, EDN 칼럼 및 제품 기능 관련 글을 수백 회 게시하고 저술해 왔습니다. "A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers" 및 기타 다수의 저서를 공동 집필하면서 Burr-Brown, Microchip Technology, Texas Instruments 및 Maxim Integrated에서 설계자, 모델링 및 전략 마케팅 엔지니어로 근무했습니다. Baker는 애리조나 대학교(투손 소재)에서 전기 공학 석사 학위와 북부 애리조나 대학교(애리조나주 플래그스텝 소재)에서 음악 교육 학사 학위를 취득했습니다. ADC, DAC, 연산 증폭기, 계측 증폭기, SPICE 및 IBIS 모델링을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자