SiP-µModule von ADI
Hochpräzise Datenerfassung auf Systemebene
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Leiterplatten-Layout und hohe Kanaldichten
Das BGA-Gehäuse des ADAQ4003 mit 7 mm x 7 mm Kantenlänge (Bild 2) bietet verglichen mit traditionellen diskreten Signalketten mindestens eine vierfache Verringerung der Leiterplattenfläche und ermöglicht damit Messgeräte mit kleinen Ausmaßen aufzubauen, ohne dabei an Leistungsfähigkeit einzubüßen.
Das Layout der Leiterplatte ist wichtig, um die Signalintegrität zu erhalten und die erwartete Leistungsfähigkeit der Signalkette zu erzielen. Die Pinbelegung des ADAQ4003 vereinfacht das Layout und erlaubt es, die analogen Signale auf der linken und die digitalen Signale auf der rechten Seite anzuordnen. Anders ausgedrückt, sie erlaubt es den Entwicklern, die empfindlichen analogen und digitalen Bereiche separat und eingegrenzt auf bestimmte Bereiche der Baugruppe zu verteilen und damit ein Übersprechen zu verhindern sowie Störstrahlungen zu vermindern. Der ADAQ4003 enthält alle nötigen hochwertigen Kondensatoren (low ESR, low ESL) für die Referenz- (REF) und Stromversorgungs-Pins (VS+, VS-, VDD und VIO). Diese Kondensatoren bieten bei hohen Frequenzen einen Pfad mit geringer Impedanz zur Masse, um Ausgleichsströme zu handhaben.
Es sind keine externen Entkoppelkondensatoren nötig und durch den Wegfall dieser Kondensatoren gibt es auch keinen bekannten Leistungsverlust oder Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Dieser Einfluss wurde auf dem Evaluierungs-Board des ADAQ4003 durch Entfernen der externen Entkoppelkondensatoren am Ausgang der Referenz und den LDO-Reglern verifiziert, die die Spannungspegel auf der Baugruppe (REF, VS+, VS-, VDD und VIO) generieren.
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Bild 3 zeigt, dass alle Spitzen immer weit unter –120 dB im Grundrauschen liegen, völlig unabhängig davon, ob die externen Entkoppelkondensatoren eingesetzt werden oder nicht. Die kleinen Ausmaße des ADAQ4003 ermöglichen ein Leiterplattenlayout mit hoher Kanaldichte bei verminderten thermischen Problemen. Das Platzieren einzelner Komponenten und die Anordnung unterschiedlicher Signale auf der Baugruppe sind dabei wesentlich. Das symmetrische Führen der Ein- und Ausgangssignale und das Platzieren der Stromversorgungsschaltungen möglichst weit entfernt vom analogen Signalpfad auf einer separaten Lage mit einer größtmöglichen Leiterbahnfläche ist besonders wichtig, um Pfade mit geringer Impedanz zu realisieren und die Auswirkungen von Spannungsspitzen auf den Stromversorgungsleitungen zu reduzieren und damit EMI-Probleme zu vermeiden.
Betreiben des ADAQ4003 mit einem PGIA hoher Impedanz
Wie bereits diskutiert, sind üblicherweise Frontends mit hoher Eingangsimpedanz nötig, um einen direkten Anschluss an unterschiedliche Sensorarten zu ermöglichen. Die Mehrzahl der Instrumenten- und Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (Programmable Gain Instrumentation Amplifier, PGIA) besitzen unsymmetrische Ausgänge, die eine vollständig differenzielle Datenerfassungs-Signalkette nicht direkt betreiben können. Der LTC6373 hat jedoch voll differenzielle rauscharme Ausgänge mit geringer Verzerrung und hoher Bandbreite, die den ADAQ4003 direkt betreiben können, ohne seine hochpräzise Leistung zu beeinträchtigen. Das macht ihn für vielfältige Anwendungen in der Signalkette verwendbar. Der LTC6373 ist am Ein- und Ausgang mit programmierbaren Verstärkungseinstellungen (über die A2-, A1- und A0-Pins) DC-gekoppelt.
In Bild 4 ist der LTC6373 in einer Konfiguration von einem differenziellen Ein- auf einen differenziellen Ausgang und Stromversorgung mit ±15 V dargestellt. Der LTC6373 kann aber auch, wenn erforderlich, in einer Konfiguration von einem referenzbezogenen Eingang auf einen differenziellen Ausgang genutzt werden. Der LTC6373 treibt den ADAQ4003 direkt mit seiner Verstärkungseinstellung von 0,454. Der VOCM-Pin des LTC6373 ist mit Masse verbunden und seine Ausgänge wechseln (in entgegengesetzter Phase) zwischen –5,5 V und +5,5 V. Der FDA des ADAQ4003 hebt die Pegel der Ausgänge des LTC6373 so an, dass sie mit dem gewünschten Eingangsgleichtakt des ADAQ4003 übereinstimmen und die notwendige Signalamplitude liefern, um den maximalen differenziellen Signalbereich von 2 x VREF von Spitze zu Spitze innerhalb des ADAQ4003-µModule-Bausteins nutzen zu können.
Betreiben des ADAQ4003 mit einem PGIA hoher Impedanz
Bild 5 und Bild 6 zeigen den Signal-Rauschabstand (Signal Noise Ratio, SNR) und die Oberschwingungs-Gesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) bei unterschiedlichen Verstärkungen des LTC6373, Bild 7 die integrale Nichtlinearität (INL) und die differenzielle Nichtlinearität (DNL) von ±0,65 LSB/±0,25 LSB für die Schaltungskonfiguration in Bild 4.
Einsatzbeispiel des ADAQ4003-µModuls in ATEs
Der ADAQ4003 eignet sich besonders gut für SMUs (Source Measurement Units) und DPSs (Device Power Supplies) für automatische Testsysteme (ATE). Diese modularen Messgeräte werden eingesetzt, um eine große Vielfalt an Chip- arten für die schnell wachsenden Märkte Smartphones, 5G, Automobil und IoT zu testen. Diese Messgeräte besitzen eine Sink/Source-Fähigkeit, die eine Regelschleife für jeden Kanal benötigt, die die Regelung der programmierten Ströme und Spannungen übernimmt. Zudem erfordern sie eine hohe Genauigkeit (besonders eine hohe Linearität), Geschwindigkeit, einen großen Dynamikbereich (um Si- gnalpegel im Bereich von µA/µV zu messen), Monotonie und geringe Ausmaße, um die wachsende Anzahl an parallelen Kanälen unterzubringen. Der ADAQ4003 bietet eine hervorragende Genauigkeit, reduziert die Komponentenanzahl des Endsystems und ermöglicht eine erhöhte Kanaldichte trotz der Platzeinschränkungen der Baugruppen. Er vereinfacht gleichzeitig den Aufwand für die Kalibrierung und verringert thermische Anforderungen für diese Art von skalierbaren Testgeräten für DC-Messungen. Die hohe Genauigkeit des ADAQ4003 reduziert, zusammen mit einer schnellen Abtastrate, das Rauschen. Seine geringe Latenz prädestiniert ihn für Anwendungen in Regelschleifen, um eine optimale Sprungantwort und schnelles Einschwingen zu liefern, was die Effektivität der Tests verbessert. Der ADAQ4003 hilft, den Aufwand in der Entwicklung zu verringern, indem er Buffer für die Referenzspannung enthält, die die Referenzspannung auf andere Schaltungsteile verteilen. Dadurch wird die Drift und der Platzbedarf externer Buffer eliminiert. Zusätzlich bestimmen auch die Drift und Alterung die Genauigkeit eines Messgerätes. Die deterministische Drift des ADAQ4003 senkt die Kosten einer Neukalibrierung und damit Stillstandzeiten des Messgeräts. Der ADAQ4003 erfüllt diese Anforderungen, verbessert die Fähigkeit der Messgeräte, geringere Spannungen und Strombereiche zu messen, und hilft, ihre Regelschleife für eine Vielzahl an Lastbedingungen zu optimieren. Dies resultiert direkt in einer Verbesserung von technischen Spezifikationen, Testeffektivität, Durchsatz und Kosten für die Messgeräte.
Der hohe Testdurchsatz und die kürzeren Testzeiten dieser Messgeräte reduzieren die Testkosten für den Endanwender. Das Blockdiagramm einer SMU ist in Bild 8 dargestellt und korrespondiert mit der in Bild 4 gezeigten Signalkette.
Der hohe Durchsatz erlaubt das Überabtasten des ADAQ4003, um das geringste RMS-Rauschen zu erzielen und über die hohe Bandbreite hinweg Signale mit kleiner Amplitude zu erkennen.
Das Überabtasten des ADAQ4003 mit Faktor 4 liefert ein zusätzliches Bit an Auflösung (dies ist nur möglich, weil der ADAQ4003 eine ausreichende Linearität aufweist – siehe Bild 7) oder einen um 6 dB gesteigerten Dynamikbereich – in anderen Worten: Die DR-Verbesserung aufgrund der Überabtastung ist definiert als ΔDR = 10 × log10 (OSR) in dB. Der typische Dynamikbereich des ADAQ4003 beträgt für eine 5-V-Referenz und bei auf Masse kurzgeschlossenen Eingängen typischerweise 100 dB bei 2 MS/s. Wenn der ADAQ4003 mit einem Faktor von 1024x überabgetastet wird und eine Datenrate von 1953 kS/s am Ausgang aufweist, liefert er einen Dynamikbereich von –130 dB für eine Verstärkung von 0,454 und 0,9, wodurch man sehr kleine Signale im µV-Bereich präzise erkennen kann. Bild 9 zeigt den Dynamikbereich und den Signal-Rauschabstand (SNR) des ADAQ4003 bei unterschiedlichen Überabtastraten und Eingangsfrequenzen von 1 kHz und 10 kHz.
Fazit
Der ADAQ4003 vereinfacht den Aufwand im Engineering, wie die Komponentenauswahl und den Aufbau produktionsgeeigneter Prototypen, und erlaubt es den Systementwicklern somit, Systemlösungen für die Endkunden schneller zu liefern. Die hohe Genauigkeit des ADAQ4003-µModule ergibt zusammen mit seinen geringen Ausmaßen einen Mehrwert für vielfältige Applikationen, die sich auf die Datenwandlung konzentrieren. Dazu zählen so unterschiedliche Anwendungen wie automatische Testsysteme (SMU, DPS), elektronische Mess- und Prüftechnik (Impedanzmessung), die Medizintechnik (Überwachung der Vitalfunktionen, Diagnostik, Bildverarbeitung) sowie Luft- und Raumfahrt, aber auch einige industrielle Anwendungen (Maschinenautomation, Ein-/Ausgangsmodule). µModule-basierte Lösungen wie der ADAQ4003 senken die Betriebskosten für Systementwickler, reduzieren die Bestückungskosten und verbessern die Fertigung durch Steigerung des Durchsatzes von Los zu Los. Zudem erlauben sie durch skalierbare/modulare Plattformen eine Weiterverwendung von Entwicklungen, vereinfachen die Kalibrierung in der Endanwendung und verkürzen dabei auch die Time To Market.
Der Autor
Maithil Pachchigar
ist System Applications Engineer in der Precision Technology and Platforms Group von Analog Devices in Wilmington, Massachusetts. Seit er 2010 zu Analog Devices kam, fokussiert er sich auf das Portfolio an Datenwandlern und unterstützt Kunden in den Bereichen Messtechnik, Industrie und Medizintechnik. Er arbeitet seit 2005 in der Halbleiterindustrie und hat mehrere Artikel verfasst und mitverfasst. Maithil erwarb 2003 seinen Titel als B.E. in Elektronik am S.V. National Institute of Technology, Indien, 2006 seinen Titel als M.S.S.E. an der San Jose State University und 2020 den Titel als M.B.A. an der Silicon Valley University.
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