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作者 :Brad Brannon

序言 :本文聚焦于 12 位 41 MSPS ADC AD9042。AD9042是首款为配合宽带、高 SFDR(无杂散动态范围)前端而专门设计的商用转换器。

随着通信技术和服务迅猛发展,对数字接收机和发射机的需求也与日俱增。无论是宽带设计还是窄带设计,都会面临同样的问题 :哪里可以找到动态性能接近完美的数据转换器?对于需要 95 dB 以上无杂散动态范围的宽带接收机,哪里可以找到能够对 GSM 频段进行数字化的数据转换器?虽然现在还不可能,但具有 95 dB 无杂散动态范围的宽带数据转换器的出现已为期不远。然而,通过一种称为“扰动”的技术,可以大大扩展许多良好数据转换器(如 AD9042 等)的动态范围,从而满足当今及未来的苛刻通信需求。

失真类型

根据特征不同,数据转换器的失真可以分为两种类型,传统上将其称为“静态线性度”和“动态线性度”。静态线性度一般通过确定数据转换器的传递函数及由此获得的 INL和 DNL 误差来表征。动态线性度通过 SINAD、SFDR 及其它多种形式的噪声和谐波失真来表征。

一直以来,动态线性度是现代数据转换器的主要限制因素。在 AD9027 和 AD9042 等产品推出前,转换器的实际动态性能远远低于基于转换器位数所做出的性能预期。此外,当转换器的模拟输入接近奈奎斯特值时,谐波性能迅速下降。这些问题导致许多转换器在众多潜在应用中毫无用处。AD9042 之类的新型转换器采用先进的架构和工艺,能够在整个第一奈奎斯特区提供出色的交流线性度。

AD9042 典型 SFDR

图 1. AD9042 典型 SFDR

虽然许多转换器动态性能不佳的原因很复杂,但其中一个常见问题是缺少采样保持器(或输入比较器),因而无法提供足够的压摆率来跟随快速变化的模拟输入。这是许多转换器无法在信号带宽数 MHz 以外正常工作的一个重要原因。虽然所有转换器设计人员都希望将导致谐波失真随频率提高的因素降至最低,但他们使用的工艺和架构可能无法做到这一点。

详文请阅:通过扰动消除转换器非线性

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我们已经指出,噪声比一些较大噪声源少三分之一至五分之一的任何噪声源都可以忽略,几乎不会有误差。此时,两个噪声电压必须在电路内的同一点测量。要分析运算放大器电路的噪声性能,必须评估电路每一部分的噪声贡献,并确定以哪些噪声为主。为了简化后续计算,可以用噪声频谱密度来代替实际电压,从而带宽不会出现在计算公式中(噪声频谱密度一般用nV/√Hz表示,相当于1 Hz带宽中的噪声)。

如果考虑下图1中的电路——由一个运算放大器和三个电阻组成的放大器(R3代表节点A处的源阻抗),可以发现六个独立噪声源:三个电阻的约翰逊噪声、运算放大器电压噪声和运算放大器各输入端的电流噪声。每个噪声源都会贡献一定的放大器输出端噪声。噪声一般用RTI来规定,或折合到输入端,但计算折合到输出端(RTO)噪声往往更容易,然后将其除以放大器的噪声增益(非信号增益)便得到RTI噪声。

单极点系统的运算放大器噪声模型

图1:单极点系统的运算放大器噪声模型

下图2详细分析了图1中的各噪声源是如何反映到运算放大器输出端的。有关反相输入端的电流噪声效应,还需要进一步讨论。此电流IN–不会按预期流入R1——放大器周围的负反馈可使得反相输入端的电位保持不变,因此从该引脚流出的电流在负反馈强制作用下仅能流入R2,从而产生IN– R2输出端电压。也可以考虑IN–流入R1和R2并联组合产生的电压,然后通过放大器的噪声增益放大,但结果是一样的,计算反而更复杂。

折合到输出端的噪声源(RTO)

图2:折合到输出端的噪声源(RTO)

下图2详细分析了图1中的各噪声源是如何反映到运算放大器输出端的。有关反相输入端的电流噪声效应,还需要进一步讨论。此电流IN–不会按预期流入R1——放大器周围的负反馈可使得反相输入端的电位保持不变,因此从该引脚流出的电流在负反馈强制作用下仅能流入R2,从而产生IN– R2输出端电压。也可以考虑IN–流入R1和R2并联组合产生的电压,然后通过放大器的噪声增益放大,但结果是一样的,计算反而更复杂。

请注意,与三个电阻相关的约翰逊噪声电压已包括在图2的表达式中。所有电阻的约翰逊噪声为√(4kTBR),其中k是玻尔兹曼常数(1.38×10–23 J/K),T是绝对温度,B是带宽(单位为Hz),R是电阻(单位为Ω)。一个很容易记住的简单关系是:1000 Ω电阻在25ºC时产生的约翰逊噪声为4 nV/√Hz。

以上分析假设是单极点系统,其中反馈网络为纯阻性,且噪声增益与频率关系曲线平坦。此情况适用于大多数应用,但如果反馈网络包含电抗元件(通常为电容),则噪声增益在目标带宽内不恒定,必须使用更复杂的技术来计算总噪声。有关二阶系统噪声的考虑,请参见指南MT-050。

参考文献

1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as
Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-
0750687034. Chapter 1.
2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op
Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.

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小数点后15位的世界,是片了无人烟的区域。其实早在三十年前,ADI便已涉足了这片无人区,以推出飞安级偏置电流运算放大器的方式;而今,ADI的开拓更进一步,再次在小数点后15位的无人区深处竖起了一面旗……

现实生活中电子设备的电流处于什么样的水平?从下图中我们可窥一斑

从毫安到微安再到皮安,随着电子技术的发展,以及对低功耗的需求,电子设备的电流水平有往小发展的趋势,而如何精确测量出微弱电流,则成了一道避不开的难题。为了测量出pA等级的电流,我们必须踏入小数点后15位(fA等级)的世界。

测量微弱电流 偏置电流成拦路虎

当输入端开路时,理想电流计的读数应当为零。然而,实际的电流计在输入端开路时的确有一些小的电流。这些电流是由有源器件的偏置电流以及流过仪器内部的绝缘子的泄漏电流所引起的。

试想一下,待测电流小到1pA,而构成电流计的器件之一——运算放大器的偏置电流却达到100pA(其实这已是非常小的偏置电流了),我们还能愉快地测出待测电流大小吗?当然不行,因为信号(待测电流)已被误差电流(偏置电流)掩盖,除非我们能将偏置电流控制在fA水平。

于是在测量微弱电流的应用中,偏置电流成了拦路虎;而打倒这个拦路虎,则是ADI放大器工程师们追求的目标之一,他们已为该目标持续奋斗了数十年。

鱼(低偏置电流)和熊掌(高ESD防护等级)不可兼得?

ADI用创新设计举出反例!

在ADI低偏置电流放大器系列产品中,推出已有三十年之久的旗舰产品AD549采用J-FET工艺,但为了实现偏置电流最大60fA的指标,芯片内部没有ESD二极管,导致AD549的ESD防护等级比较低,这给用户带来了一定的设计障碍;而后续推出的另一款放大器AD462同样采用了J-FET工艺,内部虽然增加了ESD二极管用来保护放大器,但二极管的引入却使得偏置电流恶化到10pA。

Q:在提高ESD防护等级的同时,如何Hold住偏置电流?

A:ADI的创新设计使鱼和熊掌可以兼得。

ADI推出的ADA4530采用偏置电流相对较小的CMOS工艺,但为提升ESD防护等级,加入了若干二极管,这些二极管将其ESD防护等级提升至4000V。为了Hold住随之提高的偏置电流,ADI的工程师采用了一种特殊电路。如下图所示,引入了一个缓冲器,这个缓冲器会强制D1、D2、D3、D4两端的电压相等,而二极管两端的电压如果一样,就不会有电流流过二极管。ADI的工程师通过这种特殊设计,规避了引入ESD二极管导致的偏置电流升高的问题,使得ADA4530在拥有超低偏置电流的同时,ESD防护性能优异。

既不偏科还有特长 ADA4530新晋超低偏置电流放大器扛把子

AD549是ADI最早推出的超低偏置电流放大器,其偏置电流低至60fA。这款产品一经推出,立刻成为超低偏置电流放大器的标杆,至今三十年仍被广泛用于微弱电流的测量应用中。可以说早在三十年前,ADI便在小数点后15位的无人区插上了一面旗。而新近推出的ADA4530,将偏置电流降低至20fA,一举成为超低偏置电流放大器的新标杆。在小数点后15位的无人区,ADI再次竖起了一面旗。

ADA4530运算放大器在125℃时的输入偏压电流是250fA,是竞品的1/20;在85℃时降至20fA,为竞品的1/50。而且,ADA4530还是目前唯一一款能够在室温至85℃范围内保持最大20fA输入偏置电流的运算放大器,也是唯一一款在室温至125℃范围内通过最大250fA偏置电流生产测试的放大器!且其ESD防护等级高达4000V,彻底解决了因ESD防护等级低而带来的设计不便的问题。

值得一提的是,ADA4530在25℃下偏置电流的典型值低至0.1fA!电流的定义是每秒钟流过横切面的电子个数,而一个电子带电量大概是1.6乘以10的负19次方,若把0.1fA转化为电子数,也就是说,在室温条件下,ADA4530每秒钟的泄漏电子仅为624个。

ADI合作伙伴打造的皮安级评估套件

助力AD549到ADA4530实现完美切换

为了便于用户评估微弱电流信号检测转换,ADI合作伙伴——世健国际贸易(上海)有限公司设计打造了皮安级电流计量评估套件。该评估套件基于ADA4530,采用模块化设计,既可以单独评估ADA4530性能,也可以用来评估整体系统的性能。同时,该评估套件采用USB供电,可直接与实际仪器对接使用。

该评估套件包括电流输入转换板、电压输入转换板、引脚转换板和数据采集板部分:

* 电流输入转换板关键元件采用插拔式设计,用户可以根据实际需要安装1M-1G反馈电阻和不同型号的光电传感器;
* 电压输入转换板对应电压输入时需要运放非常高的输入阻抗,可用于自动滴定仪和高阻抗电压型传感器中;
* 数据采集板采用超低噪声的供电电路,同时采用USB供电和数据传输;
* 引脚转换板采用ADA4530,板上的管脚按照AD549的管脚做了兼容化设计。板上集成电源转换芯片,将AD549使用的+/-15V电源转换成ADA4530支持的+/-5V。

用户使用AD549时会对负输入管脚做悬空式连接来降低电路板到输入管脚的漏电流,在引脚转换板上这一设计也得到了继承,用户可以直接在原先使用AD549的产品上直接评估ADA4530的效果。另外,世健还设计了专业的分析软件,可以观察探测器所测量的数据谱图及直方图,计算统计数据的最大值、最小值、平均值和标准方差等,并且可以另存为Excel文档进行分析。

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采用高速模数转换器(ADC)的系统设计非常困难,对于输入有两类ADC架构可供选择:缓冲型和无缓冲型。

缓冲和无缓冲架构的特征

缓冲架构的基本特征

* 高线性度缓冲器,但需要更高的功率;
* 更易设计输入网络与高阻抗缓冲器接口,因为它提供固定的输入端接电阻;
* 缓冲器提供采样电容与输入网络之间的隔离,电荷注入瞬变更小。

无缓冲架构的基本特征

* 输入阻抗由开关电容设计设置;
* 功耗较低;
* 输入阻抗随时间变化(采样时钟-采样保持器);
* 来自采样电容的电荷注入反射回输入网络。

无缓冲ADC

开关电容ADC(见图1)就是一类无缓冲ADC。无缓冲ADC的功耗通常远低于缓冲ADC,因为前者的外部前端设计直接连到ADC的内部采样保持(SHA)网络。

开关电容ADC

图1. 开关电容ADC

这种方法有两个缺点

输入阻抗随着时间和模式而变化;

第二是电荷注入会反射回ADC的模拟输入端,可能导致滤波器建立问题。

当模拟输入频率改变,以及SHA从采样模式变为保持模式时,无缓冲ADC的输入阻抗也会变化。必须使输入与ADC采样模式匹配,如图2所示。

输入阻抗与模式和频率的关系

图2. 输入阻抗与模式和频率的关系

在基带范围的较低频率时,输入阻抗的实部(蓝线)在数千欧范围内,在200 MHz以上时则滚降到2 kΩ。输入阻抗的虚部或容性部分(红线)也是如此,低频时的容性负载相当高,高频时逐渐变小到2 pF。这使得输入结构的设计更加困难,特别是当频率高于100 MHz时。

ADC如何能采样一个坏信号(如图3所示)并实现良好的性能?

典型单端输入瞬变

图3. 典型单端输入瞬变

查看图4所示的差分ADC输入,输入信号干净得多。坏信号毛刺已消失。共模抑制是差分信号的固有特性,它能消除任何噪声,无论是来自电源、数字注入还是电荷注入。查看无缓冲ADC毛刺的另一种方法是在时域中,利用频谱分析仪测量返回模拟输入的噪声。下图显示了开关电容ADC结构对模拟输入的影响。

典型差分输入瞬变

图4. 典型差分输入瞬变

频谱分析仪在模拟输入端的测量(未应用输入匹配)

图5. 频谱分析仪在模拟输入端的测量(未应用输入匹配)

图5显示时钟的谐波、噪声和其它杂散成分在3 GHz以上的频谱中馈通。匹配ADC输入以降低时钟馈通一般可将大部分谐波抑制10dB 以上。

频谱分析仪在模拟输入端的测量(应用 输入匹配,采用低Q电感或铁氧体磁珠)

图6. 频谱分析仪在模拟输入端的测量(应用 输入匹配,采用低Q电感或铁氧体磁珠)

图6中,通过在模拟输入的每一侧串联一个低Q电感或铁氧体磁珠,实现了输入匹配。这是降低进入模拟输入端的噪声量的一种方法,需要时可采用。

缓冲ADC

缓冲输入ADC(见图7)更易于使用,因为输入阻抗是固定值。隔离缓冲器抑制了电荷注入尖峰,因而开关瞬变显著降低。缓冲器由内部双极结晶体管级组成,具有固定的输入端接电阻。

缓冲输入ADC

图7. 缓冲输入ADC

与开关电容ADC不同,此端接电阻不随模拟输入频率而变化,因此驱动电路的选择得以简化。缓冲输入级的缺点是ADC的功耗较高。然而,由于它经过专门设计,具有非常好的线性度和低噪声特性,因此在ADC的全部额定带宽内,输入阻抗都是恒定的。

设计抗混叠滤波器(AAF)时应当注意,过多的元件可能会导致容差不匹配,进而产生偶数阶失真。电感并非特性相同,不同电感的响应可能大不相同。廉价、低质量的电感一般表现不佳。此外,有时很难在电感上实现良好的焊接连接,这就会引起失真。务必将AAF的阻带区间规定为平坦的,因为宽带噪声仍有可能折回带内(见图8)。

抗混叠滤波器

图8. 抗混叠滤波器

多数转换器具有很宽的模拟输入带宽。如果不使用AAF,混叠会降低动态范围。AAF应按照等于或略大于目标信号带宽的要求进行设计。滤波器的阶数和类型取决于所需的阻带抑制和通带纹波。AAF在ADC的整个带宽内应具有充分的阻带抑制性能。

AAF响应与ADC带宽响应

图9. AAF响应与ADC带宽响应

图9说明了阻带抑制在AAF设计中的重要性。注意,转换器带宽(红色曲线所示)远大于要采样的频带。因此,噪声和杂散可能会折回要采样的带内频率中。注意淡蓝曲线和粉红曲线,其中滤波器响应出现在阻带抑制区间。还应注意深绿或橙色曲线,阻带抑制保持恒定。

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Hein Marais ADI 公司应用工程师

在仪器仪表、过程控制、工业自动化、电机和功率控制、医疗保健等应用中,需要将信息从各种传感器传送到中央控制器进行处理和分析。系统根据分析结果和用户输入进行优化。为了维护用户接口必须的安全性,并且防止来自信号源的耦合瞬变,必须进行电气隔离。此类系统的例子有很多,例如,精密机械臂需要在有电弧焊等设备的恶劣工业环境下工作,病人监护仪需要在除颤期间工作。

设计系统时必须考虑市场要求,尤其应满足EMC要求。出售产品到欧盟时,需要CE标志;出售产品到美国时,也存在类似要求,如FCC分类认证。为取得这些认证,系统需要执行并通过一套EMC测试。

图 CISPR 1. EMC类别

EMC的要求就好像是做一个好邻居——不制造过大噪声,同时能够容忍邻居的吵闹。这可以从图1看出,EMC分为两个方面;抗扰度和发射。发射可进一步分为传导发射和辐射发射,而抗扰度可分为传导抗扰度、辐射抗扰度、瞬变抗扰度和容错。

不同类别都存在系统标准,必须符合标准才能获得CE标志或FCC分类认证,如图2所示。在工业和医疗系统环境中,传导和辐射发射通常必须符合EN55011、EN55022或FCC Part 15标准。

传导抗扰度必须符合IEC61000-4-6标准,辐射抗扰度必须符合IEC61000-4-3标准。瞬态可分为三类:ESD(静电放电)和标准IEC61000-4-2,EFT(电气快速瞬变)和标准IEC61000-4-4,以及浪涌和标准IEC61000-4-5。

建筑安防解决方案领域的另一个重大进步是从有线接口转变为无线接口,这种转变不仅出现在单个传感器节点和控制面板之间,还包括整个系统部署及其关联远程监控站或运营中心。几十年来,传感器和面板连接都是采用低压串行接线,这种最常见的RS-485类型常见于许多其他建筑控制应用。这种硬连线接口工作量很大,而且会增加系统安装成本。随着超低功耗和短程无线技术的出现,许多制造商已经扩展了其硬件系统产品组合,涵盖无线系统版本,能够使初始部署更简单、更轻松。这种转变缩短了实施时间,降低了成本,而且显著扩大了市场规模,因为这种方式允许合理的改装,而不是像过去那样,只能通过新的建筑销售来推动市场发展。此外,在后端连接区域,过去的入侵检测系统市场是将电话线或POTS连接与远程监控站或运营中心——对应,而现在已发展为利用Wi-Fi/网关互联网链路以及地面移动电话网络连接,这不仅可拓宽部署选项的发挥空间,而且可消除安装入侵检测系统所需的固定电话连接。

图2. EMC类别和标准

系统设计完成后遇到EMC问题会非常难以解决,因为随着设计的进行,可用来解决EMC问题的技术越来越少。必须在项目一开始就考虑EMC设计,从而尽量减少花费在电路板迭代上的时间,同时还可缩短设计时间并降低项目成本。

利用数字隔离器可以非常有效地应对EMC瞬变威胁,因为电气隔离栅允许数据流通,但禁止电流流通。与此同时,数字隔离器谨遵“好邻居”规范,不会产生噪声来影响相邻器件。电气隔离可利用隔离栅上的不同耦合元件实现。传统上使用光学方法,但它们非常耗电,而且由于使用发光源,寿命有限。数字隔离器可利用感性或容性耦合方法实现,绝缘材料使用聚酰亚胺和SiO2等,具有寿命长、功耗低等优势。

ADI公司的新系列开关键控i Coupler®数字隔离器ADuM1xx和ADuM2xx在隔离栅上实现感性耦合,已被证明非常鲁棒,可应对大瞬变威胁。这些器件还能以高数据速率工作,并且满足所需的辐射发射标准。下面是新系列数字隔离器产品的一些特性:

* 浪涌瞬变抗扰度:高达16 kV峰值(基本)
* 共模瞬变抗扰度:100 kV/μs
* 600 V rms工作电压下耐受电压为5 kV
* 高数据吞吐速率:高达150 Mbps
* 超低传播延迟:13 ns(最大值)
* 宽电源电压范围:1.7 V至5.5 V

作者简介

Hein Marais 2001年毕业于南非斯坦陵布什大学,获得电子学学士学位。他最初就职于南非空军,从事电子战系统工作。2003年,他加入Grintek Communication Systems,参与军用无线电的软件和硬件设计工作。2007年,Hein加入ADI公司,目前是利默里克接口与隔离应用团队的应用工程师。

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