SiP-µModule von ADI
Hochpräzise Datenerfassung auf Systemebene
Systementwickler treiben einen großen Aufwand, um leistungsfähige, diskrete analoge Signalketten für ihre Anwendungen zu entwerfen. Dass dies auch deutlich schneller, einfacher und preisgünstiger geht, zeigt Analog Devices mit seiner µModule-Datenerfassungslösung ADAQ4003.
Die Dynamik in der Elektronikindustrie ist groß, und es gibt immer weniger Zeit, um analoge Schaltungen als Prototypen aufzubauen und ihre Funktion zu verifizieren. Hardwareentwickler fordern daher eine höhere Leistung im Bereich der Datenwandlung und gesteigerte Robustheit für komplexe Designs bei ständig verringerten Ausmaßen und höheren Beschränkungen durch thermische Probleme in dicht gepackten Baugruppen. Die heterogene Integration via System-in-Package-Technik (SiP) verstärkt die Schlüsseltrends wie höhere Schaltungsdichte, gesteigerter Funktionsumfang, erhöhte Leistungsfähigkeit und längere Zeitspanne zwischen zwei Ausfällen (Mean-Time Between Failure, MTBF). Dieser Artikel zeigt, wie Analog Devices die heterogene Integration nutzt, um die Spielregeln der Datenwandlung zu ändern und Lösungen anzubieten, die gravierende Auswirkungen auf die Endanwendungen haben.
Zu den logistischen Herausforderungen für Systementwickler zählen zunächst die Komponentenauswahl und die Designoptimierung für den endgültigen Prototyp. Technische Herausforderungen sind beispielsweise das Ansteuern der A/D-Wandler-Eingänge, Schützen der A/D-Wandler vor Überspannungen, Minimieren des Leistungsbedarfs und Erzielen eines höheren Systemdurchsatzes mit verlustleistungsarmen Mikrocontrollern und/oder digitalen Isolatoren. Mit Fokus auf die Systemsoftware und Anwendungen, die ihre Systemlösung differenzieren, veranschlagen OEMs mittlerweile mehr Ressourcen für die Software- statt für die Hardwareentwicklung. Damit steigt der Druck auf die Hardwareabteilung, Designiterationen zu reduzieren.
Technische Herausforderungen
Systementwickler, die Signalketten für die Datenerfassung entwerfen, benötigen für diese üblicherweise eine hohe Eingangsimpedanz für den direkten Anschluss einer Vielzahl von Sensoren. Diese weisen unterschiedliche Gleichtaktspannungen auf und können uni- sowie bipolare oder referenzbezogene sowie differenzielle Eingangssignale besitzen.
Betrachtet man eine typische Signalkettenimplementierung mit diskreten Komponenten ganzheitlich (Bild 1), versteht man einige der wichtigsten technischen Probleme eines Systementwicklers. Der Hauptanteil des Datenerfassungs-Subsystems ist hier gezeigt, wobei der 20-Vp-p-Ausgang des Instrumentenverstärkers an den nichtinvertierenden Eingang eines vollständig differenziellen Verstärkers (Fully Differential Amplifier, FDA) angelegt ist. Dieser FDA liefert die nötige Signalkonditionierung, einschließlich Pegelumsetzung, Abschwächung des Signals und Einstellen des Ausgangshubs zwischen 0 V und 5 V mit einem Gleichtaktanteil von 2,5 V. Dies resultiert in einem differenziellen Signal von 10 Vp-p für die A/D-Wandler, um den Dynamikbereich zu maximieren. Der Eingangsverstärker wird von zwei Stromversorgungen mit ±15 V versorgt, wobei der FDA von +5 V/-1 V und der A/D-Wandler von einer 5-V-Versorgung betrieben wird. Das Verhältnis der Rückkoppelwiderstände (RF1 = RF2) mit den Verstärkungswiderständen (RG1 = RG2) setzt die FDA-Verstärkung auf 0,5. Die Rauschverstärkung (Noise Gain, NG) des FDA ist definiert als:
Dieser Abschnitt zeigt, wie die Schaltungsasymmetrie (β1 ≠ β2) oder Fehlanpassung der Rückkoppel- und Verstärkungswiderstände (RG1, RG2, RF1, RF2) am FDA die Schlüsselspezifikationen wie Signal-Rauschabstand (SNR), Verzerrung, Linearität, Verstärkungsfehler, Drift und Gleichtaktunterdrückung des Eingangs beeinflussen.
Die differenzielle Ausgangsspannung des FDA hängt von VOCM ab. Bei ungleichen Rückkoppelfaktoren β1 und β2 ruft jeder Unterschied in der Ausgangsamplitude oder Phase unerwünschte Gleichtaktanteile im Ausgang hervor. Dies wird durch die Rauschverstärkung angehoben und verursacht redundantes Rauschen und Offset am differenziellen Ausgang des FDA. Deshalb ist es dringend nötig, dass das Verhältnis der Verstärkungs-/Rückkoppelwiderstände gut angepasst ist. Anders ausgedrückt, die Kombination der Impedanz der Eingangsquelle und RG2 (RG1) sollte abgeglichen sein (β1 = β2), um Signalverzerrungen, Fehlanpassung in der Gleichtaktspannung jedes Ausgangssignals und das Ansteigen des Gleichtaktrauschens vom FDA zu vermeiden.
Eine Möglichkeit, den differenziellen Offset wieder abzugleichen und Ausgangsverzerrungen zu vermeiden ist es, einen externen Widerstand in Reihe zum Verstärkungswiderstand (RG1) zu schalten. Die Verstärkungs-Fehler-Drift wird dabei auch von der Wahl des Widerstandstyps, wie Dünnfilm- und Widerstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten beeinflusst. Die Beschaffung abgeglichener Widerstände bei den gegebenen Einschränkungen bezüglich Kosten und Leiterplattenfläche kann recht schwierig sein.
Darüber hinaus ist die Generierung ungleicher bipolarer Stromversorgungen wegen der zusätzlichen Kosten und Platzeinschränkungen auf den Leiterplatten für viele Entwickler schwierig zu handhaben. Sie müssen auch die optimalen passiven Komponenten sorgfältig auswählen, einschließlich eines RC-Tiefpassfilters (der zwischen dem Ausgang des A/D-Wandler-Treibers und dem A/D-Wandler platziert ist) sowie einem Entkoppel-Kondensator für den Referenzeingang des SAR-A/D-Wandlers. Ein RC-Filter hilft, das Rauschen am A/D-Wandler zu begrenzen und reduziert den Effekt von Rückwirkungen (Kickbacks), die vom kapazitiven D/A-Wandler-Eingang des SAR-A/D-Wandlers kommen. Die COG- oder NPO-Kondensatoren und angepasste Werte der Reihenwiderstände sollten so gewählt werden, dass der Verstärker stabil gehalten und sein Ausgangsstrom begrenzt wird. Schließlich ist auch das Leiterplattenlayout extrem wichtig für die Sicherstellung der Signalintegrität und der zu erwartenden Leistungsfähigkeit der Signalkette.
Den Entwicklungsablauf vereinfachen
Viele Entwickler implementieren unterschiedliche Signalketten-Architekturen für die gleichen Applikationen. Allerdings erfüllt nicht jede davon alle Anforderungen, sodass sich Analog Devices (ADI) auf gemeinsame Bereiche der Signalkette, der Signalkonditionierung und der Digitalisierung fokussierte. Mit den µModule-Bausteinen liefert man komplette Lösungen mit hoher Leistungsfähigkeit für die Signalkette, die die Lücke zwischen diskreten Standardkomponenten und hochintegrierten kundenspezifischen ICs schließen, um damit ihre Hauptprobleme zu lösen. Der ADAQ4003 ist eine SiP-Lösung, die beste Ausgewogenheit zwischen F&E-Kosten und Verkleinerung des Formfaktors bietet und dabei den Zeitaufwand für die Prototyperstellung reduziert.
Die µModule-Datenerfassungslösung ADAQ4003 besteht aus mehreren typischen Signalverarbeitungs- und -Konditionierungsblöcken sowie wichtigen passiven Komponenten, die mit der SiP-Technik von ADI (Bild 4) in einen einzigen Baustein integriert wurden. Der ADAQ4003 ist rauscharm und enthält einen FDA, einen stabilen Referenz-Buffer und einen hochauflösenden 18-Bit-SAR-A/D-Wandler mit 2 MS/s Abtastrate.
Der ADAQ4003 vereinfacht die Entwicklung der Signalkette und des Entwicklungszyklus eines Messsystems, indem er die Komponentenauswahl, ihre Optimierung und das Layout vom Entwickler direkt auf den Baustein selbst verlagert und die größten Probleme löst, die im vorherigen Abschnitt diskutiert wurden. Das Array aus Widerständen um den FDA herum ist mit der proprietären iPassives-Technik von ADI aufgebaut. Diese vermeidet Schaltungsfehlanpassungen, reduziert parasitäre Effekte, hilft dabei, eine hervorragende Verstärkungsanpassung von bis zu 0,005 % zu erzielen und zeigt eine optimierte Drift (1 ppm/°C). Die iPassives-Technik bietet verglichen mit diskreten passiven Komponenten auch einen Vorteil bezüglich der Ausmaße, was wiederum temperaturabhängige Fehlerquellen minimiert und den Kalibrieraufwand auf Systemebene reduziert. Die schnelle Einschwingzeit und der weite Gleichtakteingangsbereich des FDA ermöglichen zusammen mit präzisen Verstärkungsoptionen (0,45, 0,52, 0,9, 1 oder 1,9) die Einstellung der Verstärkung oder Dämpfung. Auch die Wahl, den Eingang symmetrisch oder unsymmetrisch zu betreiben, ist möglich.
Der ADAQ4003 enthält zwischen dem A/D-Wandler-Treiber und dem A/D-Wandler ein einpoliges RC-Filter, das für die Optimierung der Einschwingzeit und Bandbreite des Eingangssignals ausgelegt ist. Alle notwendigen Entkoppelkondensatoren für den Referenzknoten und die Stromversorgungen sind ebenfalls enthalten, was die Stückliste vereinfacht. Der ADAQ4003 beinhaltet auch einen Referenz-Buffer, der für Verstärkung 1 konfiguriert ist, um die dynamische Eingangsimpedanz des Referenzknoten des SAR-A/D-Wandlers und des korrespondierenden Entkoppelkondensators optimal zu treiben. Ein 10-µF-Kondensator am REF-Pin ist eine wichtige Anforderung, die dabei hilft, die Ladung eines internen kapazitiven D/A-Wandlers während des Entscheidungsprozesses zur Bitauswahl wiederherzustellen und damit wesentlich zum Erzielen der Spitzenleistung der Wandlung. Mit der Integration des Referenz-Buffers kann der Anwender eine Referenzquelle mit wesentlich geringerem Leistungsbedarf implementieren als bei vielen traditionellen auf SAR-A/D-Wandlern basierende Signalketten, weil die Referenzquelle hier einen Knoten hoher Impedanz treibt, anstatt der dynamischen Last des Kondensator-Arrays des SAR-A/D-Wandlers. Der Anwender hat die Möglichkeit, die Eingangsspannung am Referenz-Buffer zu wählen, die mit dem gewünschten analogen Eingangsspannungsbereich zusammenpasst.
- Hochpräzise Datenerfassung auf Systemebene
- Leiterplatten-Layout und hohe Kanaldichten
