μModule数据采集解决方案缓解了各种精密应用的工程挑战

数据采集系统级挑战

系统架构师和电路级硬件设计人员花费大量研发（R&D）资源为其最终应用（如测试和测量、工业自动化、医疗保健或航空航天和国防）开发高性能、分立线性和精密信号链模块，以测量和保护、调理和采集，或合成和驱动。本文将重点介绍精密数据采集子系统，如图1所示。

图1.高级数据采集系统框图。

电子行业的动态正在迅速发展，随着研发预算和上市时间（TTM）的控制变得具有挑战性，构建和原型模拟电路以验证其功能的时间越来越少。硬件设计人员要求在热和印刷电路板 （PCB） 密度限制下，在不断缩小的外形尺寸中，为复杂设计提供先进的精密数据转换性能和更高的鲁棒性。通过系统级封装 （SiP） 技术的异构集成继续推动电子行业的主要趋势，包括向更高密度、增强功能、增强性能和更长的平均故障时间转变。本文将说明ADI公司如何利用异构集成来改变精密转换的竞争环境，并提供对应用产生重大影响的解决方案。

系统设计人员面临着后勤挑战，例如最终原型的组件选择和设计优化，以及驱动ADC输入、保护ADC输入免受过压事件的影响、最大限度地降低系统功耗以及使用低功耗微控制器和/或数字隔离器实现更高的系统吞吐量等技术挑战。随着人们越来越关注系统软件和应用程序以区分其系统解决方案，OEM 正在将更多资源分配给软件开发而不是硬件开发。这导致硬件开发的压力增加，以减少设计迭代。

开发数据采集信号链的系统设计人员通常需要高输入阻抗，以便与各种传感器直接接口，这些传感器可能具有不同的共模电压以及单极性或双极性单端或差分输入信号。让我们全面了解使用分立元件实现的典型信号链，并通过图2中的插图了解系统设计人员的一些主要技术痛点。图中显示了精密数据采集子系统的关键部分，其中仪表放大器的20 V p-p输出施加到全差分放大器（FDA）的同相输入端。该 FDA 提供必要的信号调理，包括电平转换、衰减信号以及使用 2.5 V 共模将输出摆幅设置在 0 V 和 5 V 之间，相位相反，从而向 ADC 输入提供 10 V p-p 差分信号，以最大化其动态范围。仪表放大器采用±15 V双电源供电，FDA采用+5 V/–1 V供电，ADC由5 V电源供电。反馈电阻 （RF1 = RF2） 与增益电阻 （RG1 = RG2） 之比将 FDA 增益设置为 0.5。FDA的噪声增益（NG）定义为：

其中β1 和 β2 是反馈因子：

图2.典型数据采集信号链的简化原理图

本节将介绍电路不平衡（即β1≠β2）或反馈和增益电阻中的不匹配（RG1， RG2， RF1， RF2FDA 周围会影响 SNR、失真、线性度、增益误差、漂移和输入共模抑制比等关键规格。FDA的差分输出电压取决于VOCM，因此当反馈因子β1和β2不相等时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出中产生不希望的共模分量，该共模分量被其噪声增益放大，并在FDA的差分输出中引起冗余噪声和失调。因此，增益/反馈电阻的比值必须匹配良好。换句话说，输入源阻抗和RG2（RG1）的组合应该匹配（即β1=β2），以避免信号失真，每个输出信号的共模电压不匹配，并防止来自FDA的共模噪声增加。平衡差分失调和避免输出失真的方法之一是添加一个与增益电阻（RG1）串联的外部电阻。不仅如此，增益误差漂移还受电阻类型选择（如薄膜、低温度系数电阻）的影响，而在成本和电路板空间限制下，寻找匹配电阻器具有挑战性。

此外，由于PCB的额外成本和空间限制，许多设计人员不方便产生奇数双极性电源。 设计人员还需要仔细选择最佳的无源元件，包括RC低通滤波器（位于ADC驱动器输出和ADC输入之间）以及逐次逼近寄存器（SAR）ADC动态基准节点的去耦电容。RC滤波器有助于限制ADC输入端的噪声，并降低SAR ADC容性DAC输入端的反冲效应。应选择C0G或NP0型电容器和合理的串联电阻值，以保持放大器稳定并限制其输出电流。最后，PCB布局对于保持信号完整性和实现信号链的预期性能至关重要。

简化客户的设计之旅

许多系统设计人员最终为相同的应用实现不同的信号链架构。然而，一种尺寸并不适合所有人，因此ADI公司（ADI）专注于信号链、信号调理和数字化的常见部分，提供更完整的信号链μModule解决方案，具有先进的性能，弥合标准分立元件和高度集成的客户专用IC之间的差距，以解决其主要痛点。ADAQ4003是一款SiP解决方案，可在研发成本和缩小外形尺寸之间实现最佳平衡，同时加快原型制作时间。®

ADAQ4003 μModule精密数据采集解决方案采用ADI公司的先进SiP技术，将多个通用信号处理和调理模块以及关键无源元件集成到单个器件中（见图5）。ADAQ4003内置低噪声、FDA、稳定基准电压缓冲器和高分辨率18位、2 MSPS SAR ADC。

ADAQ4003通过将元件选择、优化和布局从设计人员转移到器件本身，简化了精密测量系统的信号链设计和开发周期，并解决了上一节中讨论的所有主要问题。FDA周围的精密电阻阵列采用ADI专有的iPassives技术构建，该技术可解决电路不平衡问题，降低寄生效应，有助于实现高达0.005%的出色增益匹配，并具有优化的漂移性能（1 ppm/°C）。与分立式无源器件相比，i无源器件还具有尺寸优势，可最大限度地减少与温度相关的误差源，并减轻系统级校准负担。FDA 的快速建立和宽共模输入范围，以及可配置增益选项（0.45、0.52、0.9、1 或 1.9）的精密性能，允许增益或衰减调整以及全差分或单端至差分输入。®

ADAQ4003在ADC驱动器和ADC之间包含一个单极点RC滤波器，旨在最大限度地延长建立时间和输入信号带宽。还包括基准电压节点和电源所需的所有去耦电容，以简化物料清单 （BOM）。ADAQ4003还内置一个以单位增益配置的基准电压缓冲器，以最佳方式驱动SAR ADC基准节点和相应去耦电容的动态输入阻抗。REF引脚上的10 μF是位决策过程中帮助补充内部容性DAC电荷的关键要求，对于实现峰值转换性能至关重要。通过集成基准电压缓冲器，用户可以实现比许多传统的基于SAR ADC的信号链低得多的基准电压源，因为基准电压源驱动高阻抗节点，而不是SAR电容阵列的动态负载。用户可以灵活地选择与所需模拟输入范围相匹配的基准缓冲器输入电压。

小尺寸简化了 PCB 布局并实现了高通道密度

与传统的分立式信号链相比，ADAQ4003的7 mm×7 mm BGA封装的占位面积至少减少了4倍（如图3所示），可在不牺牲性能的情况下实现小型仪器仪表。

图3.ADAQ4003 μModule器件与分立式信号链解决方案的尺寸比较。

印刷电路板布局对于保持信号完整性和实现信号链的预期性能至关重要。ADAQ4003的引脚排列简化了布局，允许其模拟信号位于左侧，数字信号位于右侧。换句话说，这允许设计人员将敏感的模拟和数字部分分开，并限制在电路板的某些区域，并避免数字和模拟信号的交叉，以减轻辐射噪声。ADAQ4003集成了基准电压源（REF）和电源（VS+、VS−、VDD和VIO）引脚的所有必要（低等效串联电阻（ESR）和低等效串联电感（ESL））去耦陶瓷电容。这些电容器在高频下提供低阻抗接地路径，以处理瞬态电流。

无需外部去耦电容，如果没有这些电容，则不存在已知的性能影响或任何EMI问题。ADAQ4003评估板上的这种性能影响得到了验证，方法是移除基准电压源输出端的外部去耦电容和LDO稳压器输出端的外部去耦电容，后者产生板载电源轨（REF、VS+、VS−、VDD和VIO）。图4显示，无论使用还是移除外部去耦电容，任何杂散都埋在远低于−120 dB的本底噪声中。ADAQ4003的小尺寸可实现高通道密度PCB布局，同时缓解热挑战。然而，单个元件的放置和各种信号在PCB上的路由至关重要。输入和输出信号的对称路由，同时使电源电路远离模拟信号路径，在具有尽可能大的走线的独立电源层上，这对于提供低阻抗路径和减少毛刺对电源线的影响以及避免EMI类型问题尤其重要。

图4.具有短路输入的ADAQ4003 FFT，在移除各种电源轨的外部去耦电容之前和之后，性能保持不变。

使用高阻抗PGIA驱动ADAQ4003

如前所述，通常需要高输入阻抗前端才能直接连接各种类型的传感器。大多数仪表和可编程增益仪表放大器（PGIA）具有单端输出，无法直接驱动全差分数据采集信号链。然而，LTC6373 PGIA提供全差分输出、低噪声、低失真和高带宽，可在不牺牲精准性能的情况下直接驱动ADAQ4003，因而适合许多信号链应用。LTC6373 在输入和输出上采用直流耦合功能，具有可编程增益设置 （使用 A2、A1 和 A0 引脚）。

在图5中，LTC6373采用差分输入至差分输出配置和±15 V双电源。如果需要，LTC6373 还可用于单端输入至差分输出配置。LTC6373 直接驱动 ADAQ4003，其增益设置为 0.454。五世OCMLTC6373的引脚接地，其输出摆幅在−5.5 V至+5.5 V之间（相位相反）。ADAQ4003的FDA电平转换LTC6373的输出，以匹配ADAQ4003所需的输入共模，并提供利用最大2 × V所需的信号幅度裁判ADAQ4003 μModule器件内ADC的峰峰值差分信号范围。图 6 和图 7 显示了使用 LTC6373 的各种增益设置时的 SNR 和 THD 性能，而图 8 显示了图 5 所示电路配置的 INL/DNL 性能为 ±0.65 LSB/±0.25 LSB。

图5.LTC6373驱动ADAQ4003（增益 = 0.454，2 MSPS）。

图6.SNR 与 LTC6373 增益设置的关系，LTC6373 驱动 ADAQ4003（增益 = 0.454，2 MSPS）。

图7.THD 与 LTC6373 增益设置的关系，LTC6373 驱动 ADAQ4003 （增益 = 0.454，2 MSPS）。

图8.INL/DNL 性能，LTC6373 （增益 = 1） 驱动 ADAQ4003 （增益 = 0.454）。

ADAQ4003 μ模块应用用例：ATE

本节将重点介绍ADAQ4003如何非常适合ATE的源测量单元（SMU）和器件电源（DPS）。这些 模 块 化 仪器 用于 为 快速增长 的 智能手机、5G、汽车 和 IoT 市场 测试 各种 芯片 类型。这些精密仪器具有灌电流/拉电流功能，需要每个通道都有一个控制环路来负责编程的电压和电流调节，并且它们需要高精度（尤其是精细线性度）、速度、宽动态范围（用于测量μA/μV信号电平）、单调性和小尺寸，以适应并联通道数量的增加。ADAQ4003提供突破性的精密性能，减少终端系统元件数量，并在电路板空间限制的情况下提高通道密度，同时减轻这些类型的直流测量可扩展测试仪器的校准负担和热挑战。ADAQ4003的高精度与快速采样速率相结合，可降低噪声，无延迟，非常适合控制环路应用，以提供最佳阶跃响应和快速建立，以提高测试效率。ADAQ4003消除了由于自身漂移和电路板空间限制而在仪器上分配基准电压的缓冲器，从而有助于减轻设计负担。此外，漂移性能和老化决定了测试仪器的精度，因此ADAQ4003的确定性漂移降低了重新校准的成本和仪器的停机时间。ADAQ4003 满足这些要求，提升仪器测量较低电压和电流范围的能力，并帮助他们针对各种负载条件优化控制环路，从而直接转化为仪器工作规格、测试效率、吞吐量和成本的改进。这些仪器的高测试吞吐量和更短的测试时间直接转化为最终用户的测试成本降低。SMU高级框图如图9所示，其相应的信号链如图5所示。

图9.源测量单元简化框图。

高吞吐速率使ADAQ4003具有过采样功能，可实现最低均方根噪声，并在宽带宽范围内检测小幅度信号。对ADAQ4003进行四倍的过采样可提供额外的一位分辨率（这只能是因为ADAQ4003提供了足够的线性度，见图8）或动态范围增加6 dB，换句话说，由于这种过采样而改善的动态范围定义为：ΔDR = 10 ×log10 （OSR），单位为dB。对于5 V基准电压源，ADAQ4003的典型动态范围为2 MSPS时为100 dB，其输入短路至地。因此，当ADAQ4003在1.953 kSPS的输出数据速率下过采样1024倍×可提供~130 dB的无与伦比的动态范围，增益分别为0.454和0.9，可以精确检测幅度非常小的μV信号。图10显示了ADAQ4003在1 kHz和10 kHz各种过采样速率和输入频率下的动态范围和SNR。

图 10.ADAQ4003动态范围，具有各种输入频率的SNR与过采样率（OSR）的关系。

图 11.使用信号链μModule技术降低总拥有成本。

结论

本文介绍了与设计精密数据采集系统相关的几个关键方面和技术挑战，以及ADI公司如何利用其线性和转换器领域的专业知识开发高度差异化的ADAQ4003信号链μModule解决方案，以解决一些最棘手的工程问题。ADAQ4003减轻了元件选择和构建生产就绪原型等工程负担，同时使系统设计人员能够更快地向最终客户提供出色的系统解决方案。ADAQ4003 μModule器件突破性的精密性能与小尺寸相结合，为自动化测试设备（SMU、DPS）、电子测试和测量（阻抗测量）、医疗保健（生命体征监测、诊断、成像）和航空航天（航空）以及一些工业用途（机器自动化输入/输出模块）等各种应用增加了更大的价值。ADAQ4003等μModule解决方案显著降低了系统设计人员的总拥有成本（如图11所示），降低了PCB组装成本，通过提高批次间良率来增加制造支持，支持可扩展/模块化平台的设计重用，并简化最终应用中的校准负担，同时加快TTM。

审核编辑：郭婷