揭開高性能多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的神秘面紗

 簡介

高通道密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于醫(yī)療成像、工業(yè)過程控制、自動測試設(shè)備和40G/100G光通信系統(tǒng)可將眾多傳感器的信號多路復(fù)用至少量ADC，隨后依序轉(zhuǎn)換每一通道。 多路復(fù)用可讓每個系統(tǒng)使用更少的ADC，大幅降低功耗、尺寸和成本。 逐次逼近型ADC——通常根據(jù)它們的逐次逼近型寄存器而稱它們?yōu)镾AR ADC——具有低延遲特性，因此適合用于要求對滿量程輸入階躍(最差情況)作出快速響應(yīng)而無任何建立時間問題的多路復(fù)用系統(tǒng)。 易于使用的SAR ADC提供低功耗和小尺寸。 本文重點(diǎn)討論與使用高性能精密SAR ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素、性能結(jié)果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)挑戰(zhàn)

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求采用寬帶放大器，以便驅(qū)動ADC的滿量程(FS)輸入范圍時可以快速建立。 此外，對多路復(fù)用通道進(jìn)行開關(guān)和順序采樣必須與ADC轉(zhuǎn)換周期同步。 相鄰輸入之間的巨大電壓差使這些系統(tǒng)易受通道間串?dāng)_的影響。 為了避免產(chǎn)生誤差，完整的信號鏈(包括多路復(fù)用器和放大器)必須建立至所需精度——一般以串?dāng)_誤差或建立誤差表示。 圖1顯示的是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)包括多路復(fù)用器、ADC驅(qū)動器和SAR ADC。

圖1. 多路復(fù)用數(shù)字采集系統(tǒng)框圖

多路復(fù)用器

多路復(fù)用器的快速輸入切換和寬帶寬性能是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。 多路復(fù)用器的開啟或關(guān)斷時間表示應(yīng)用數(shù)字控制輸入與輸出超過VOUT 90%之間的延遲，如圖2所示。

圖2. 典型多路復(fù)用器的開關(guān)時間

當(dāng)多路復(fù)用器切換通道時，在其輸入端會產(chǎn)生電壓毛刺或反沖。 該反沖與開啟和關(guān)斷時間、導(dǎo)通電阻以及負(fù)載電容成函數(shù)關(guān)系。 具有低導(dǎo)通電阻的大開關(guān)通常需采用大輸出電容，而每次輸入端開關(guān)時，都必須將其充電至新電壓。 如果輸出未能建立至新電壓，則將產(chǎn)生串?dāng)_誤差。 因此，多路復(fù)用器帶寬必須足夠大，且多路復(fù)用器輸入端必須使用緩沖放大器或大電容，才能建立至滿量程階躍。 此外，流過導(dǎo)通電阻的漏電流將產(chǎn)生增益誤差，因此這兩者都應(yīng)盡可能小。

ADC驅(qū)動器

開關(guān)多路復(fù)用器的輸入通道時，ADC驅(qū)動放大器必須在指定的采樣周期內(nèi)建立一個大電壓階躍。 輸入可從負(fù)滿量程變化到正滿量程，也可能從正滿量程變化到負(fù)滿量程，因此短時間內(nèi)可創(chuàng)建大輸入電壓階躍。 放大器必須具備較寬的大信號帶寬和較快的建立時間，才能處理該階躍。 此外，壓擺率或輸出限流會導(dǎo)致非線性特征。 同時，驅(qū)動放大器必須建立反沖——該反沖是由于采集周期開始時，SAR ADC輸入端的充電再平衡所導(dǎo)致。 這可能會成為多路復(fù)用系統(tǒng)中輸入建立的瓶頸。 通過降低ADC的吞吐速率可緩解建立時間問題，提供更長的采集時間，從而允許放大器有充分時間建立至所需精度。

圖3顯示輸入端發(fā)生滿量程變化時，多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時序圖。 ADC周期時間由轉(zhuǎn)換時間和采集時間構(gòu)成 (tCYC = tCONV + tACQ)，其在數(shù)據(jù)手冊中通常指定為1/吞吐速率。 轉(zhuǎn)換開始時，SAR ADC的電容DAC與輸入斷開連接，且多路復(fù)用器通道可在一個較短的開關(guān)延遲時間tS之后切換到下一通道。 這樣，便可有盡可能多的時間來建立至選定通道。 為了保證最大吞吐速率下的性能，多路復(fù)用系統(tǒng)中的所有元器件都必須在多路復(fù)用器切換和采集時間結(jié)束之間這段時間內(nèi)完成ADC輸入端的建立。 多路復(fù)用器通道開關(guān)必須與ADC轉(zhuǎn)換時間正確同步。 多路復(fù)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率等于單一ADC吞吐速率除以采樣通道數(shù)。

圖3. 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型時序圖

多路復(fù)用器輸入端的RC濾波器

某些設(shè)計人員使用低輸出阻抗緩沖器處理來自多路復(fù)用器輸入端的反沖。 SAR ADC的輸入帶寬(幾十MHz)和ADC驅(qū)動器的輸入帶寬(幾十到幾百M(fèi)Hz)高于采樣頻率，且所需的輸入信號帶寬通常為幾十到幾百kHz范圍內(nèi)，因此多路復(fù)用器輸入端可能需使用RC抗混疊濾波器，以防干擾信號(混疊)折回目標(biāo)帶寬，并緩解建立時間問題。 每個輸入通道使用的濾波器電容值都應(yīng)根據(jù)下列權(quán)衡條件仔細(xì)選擇： 大電容有助于衰減來自多路復(fù)用器的反沖，但大電容也會降低之前放大器級的相位裕量，使其不穩(wěn)定。 對于高Q、低溫度系數(shù)以及各種電壓下電氣特性穩(wěn)定的RC濾波器，建議采用C0G或NP0類電容。 應(yīng)選用合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。 電阻值不可過高，否則多路復(fù)用器反沖后放大器將無法對電容再充電。

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集信號鏈

圖4顯示多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化信號鏈。 采用ADG774ADG774 CMOS多路復(fù)用器來選擇兩個差分通道之一。 若要評估此系統(tǒng)，可連續(xù)開關(guān)ADG774的正負(fù)差分輸入，以產(chǎn)生滿量程階躍。 兩個超低失真運(yùn)算放大器ADA4899-1緩沖多路復(fù)用器輸出，并驅(qū)動18位、5 MSPS PulSAR® ADC AD7960。 RC濾波器(33 Ω/56 pF)有助于減少來自AD7960容性DAC輸入端的反沖，并限制進(jìn)入AD7960輸入端的噪聲。

圖4. 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡化信號鏈

四通道2:1 CMOS多路復(fù)用器ADG774具有快速開關(guān)速度(tON = 7 ns, tOFF = 4 ns)、低導(dǎo)通電阻(RON = 2.2 Ω), 、寬帶寬(f–3dB = 240 MHz)以及低功耗(5 nW)，是便攜式和電池供電型儀器儀表的理想之選。 ADG774的輸入端連接5 V固定基準(zhǔn)電壓源和地，從而輸出應(yīng)從正滿量程擺動到負(fù)滿量程。 圖5顯示典型的導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系曲線，該曲線輸入電壓范圍為完整的0 V至5 V模擬輸入，溫度范圍為–40°C至+85°C。 該性能水平可確保快速開關(guān)信號時擁有出色的線性度和低失真性能。

圖5. ADG774導(dǎo)通電阻與輸入電壓的關(guān)系

ADG774的輸出連接至高輸入阻抗放大器級。 ADA4899-1高速運(yùn)算放大器具有超低噪聲(1 nV/√Hz)和超低失真(−117 dBc)、600 MHz帶寬以及310 V/μs壓擺率性能。 該器件采用+7 V和−2.5 V電源供電，具有足夠的裕量實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和失真。 如圖6所示，在2 V p-p輸入信號時，放大器的0.1%建立時間為50 ns，是驅(qū)動AD7960的理想之選。

圖6. ADA4899-1典型建立時間

精密差分ADC AD7960具有同類一流的噪聲和線性度性能，無延遲或流水線延遲，提供高精度(18位分辨率、±0.8 LSB INL、99 dB SNR和–117 dB THD)、快速采樣(5 MSPS)、低功耗和低成本特性。 該器件采用+5 V (VDD1)和+1.8 V(VDD2和VIO)電源供電，以回波時鐘模式轉(zhuǎn)換時的功耗僅為46.5 mW (5 MSPS)。 其內(nèi)核功耗隨吞吐速率線性變化，因此非常適合低功耗、高通道密度應(yīng)用。 可以利用低噪聲LDO(比如源。ADP7104和ADP124)產(chǎn)生5 V和1.8 V電源。

該ADC的滿量程差分輸入范圍通過外部基準(zhǔn)電壓源設(shè)為5 V或4.096 V。 若要充分利用動態(tài)范圍，則輸入信號必須從0擺動到VREF。 在該信號鏈中，5 V基準(zhǔn)電壓由高精度(±0.02%最大初始誤差)、低功耗(950 µA最大工作電流)基準(zhǔn)電壓源ADR4550提供，該基準(zhǔn)電壓源具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。 軌到軌運(yùn)算放大器AD8031緩沖外部基準(zhǔn)電壓。 該器件具有大容性負(fù)載穩(wěn)定性，可驅(qū)動去耦電容，以便最大程度降低瞬態(tài)電流引起的尖峰。 AD8031適合從寬帶寬電池供電系統(tǒng)到低功耗、高器件密度、高速系統(tǒng)的各種應(yīng)用。

AD7960數(shù)字接口采用低壓差分信號(LVDS)，具有自時鐘模式和回波時鐘模式，提供ADC和數(shù)字主機(jī)之間高達(dá)300 MHz(CLK±和D±)的高速數(shù)據(jù)傳輸。 LVDS接口允許多個器件共享時鐘，從而降低數(shù)字線路的數(shù)量，并簡化信號路由。 相比并行接口它具有更低的功耗，因此在多路復(fù)用應(yīng)用中尤為有用。

AD7960在轉(zhuǎn)換開始后大約115 ns內(nèi)返回采集模式，采集信號的時間約為200 ns總周期時間的40%。 這一相對較長的采集時間減輕了放大器的帶寬負(fù)擔(dān)并降低了建立時間要求，使得差分輸入更易于驅(qū)動。 5 MSPS吞吐速率允許多個通道以高掃描速率進(jìn)行多路復(fù)用，因此高通道數(shù)系統(tǒng)所需的ADC數(shù)量更少。

轉(zhuǎn)換期間，AD7960的靜態(tài)時間要求為90 ns至110 ns，期間多路復(fù)用器輸入不可切換。 因此，為了避免破壞正在進(jìn)行中的轉(zhuǎn)換，必須在CNV±起始信號上升沿后不足90 ns或超過110 ns時切換外部多路復(fù)用器。 如果在此靜態(tài)期間切換模擬輸入，則最多可破壞15 LSB的當(dāng)前轉(zhuǎn)換。 應(yīng)當(dāng)盡可能早地切換模擬輸入，從而有盡可能多的時間來擺動滿量程信號并建立輸入。

每16次轉(zhuǎn)換之后，多路復(fù)用器將在CNV±上升沿過后，于–5 V和+5 V之間開關(guān)大約10 ns，如圖7所示。這樣會產(chǎn)生滿量程差分階躍，因此ADC輸出從負(fù)滿量程變?yōu)檎凉M量程，如圖8所示。

圖7. 示波器曲線顯示來自內(nèi)部CAP DAC的反沖

圖8. AD7960輸出顯示ADG774在每16次轉(zhuǎn)換過后開關(guān)

這一開關(guān)時間延遲必須大于ADC的1.6 ns孔徑延遲。 ADC輸入端測得的信號顯示來自AD7960中容性DAC的反沖約為1 V p-p(圖7，紅色高亮部分)。 為了確保輸出完全建立，工作速率為5 MSPS時，驅(qū)動放大器必須在下一次轉(zhuǎn)換開始前建立此瞬態(tài)，即大約80 ns采樣時間內(nèi)。 以較低的吞吐速率運(yùn)行ADC可讓該反沖有更多的采集時間去建立，從而多路復(fù)用器輸入通道之間的串?dāng)_誤差更低，同時滿量程階躍建立時間性能更佳。

多路復(fù)用器輸入端測得的信號還顯示出來自通道開關(guān)的反沖。 多路復(fù)用器輸入端的緩沖放大器有助于建立該反沖。 若由于成本或空間等原因無法使用輸入緩沖放大器，則可在輸入端添加一個經(jīng)過優(yōu)化的RC濾波器，以降低反沖和串?dāng)_的影響。 多路復(fù)用器輸入端使用的RC濾波器值會影響信號鏈的總噪聲和建立時間。

當(dāng)多路復(fù)用器靜止時，AD7960運(yùn)行在5 MSPS最大吞吐速率下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出離開正常滿量程約14 LSB，可表示系統(tǒng)的總增益和失調(diào)誤差。 對于大多數(shù)應(yīng)用而言，該多路復(fù)用器開關(guān)時，ADA4899-1驅(qū)動放大器有助于在可以接受的通道間串?dāng)_誤差范圍內(nèi)使輸出建立至正和負(fù)滿量程。 輸出誤差與吞吐速率成指數(shù)關(guān)系，并在5 MSPS時達(dá)到0.01%最大值，如圖9所示。較低吞吐速率下的零串?dāng)_誤差表示ADC輸出在第一次轉(zhuǎn)換期間建立至其最終值。

圖9. 串?dāng)_誤差與吞吐速率的關(guān)系，以滿量程幅度的百分比表示

如圖10所示，1 V p-p(滿量程的10%)時，相對于滿量程的串?dāng)_誤差不足0.001%，并且隨差分輸入幅度成線性變化關(guān)系。 相對于階躍幅度的串?dāng)_誤差在整個輸入范圍內(nèi)幾乎是平坦的，并且總是不足0.01%。

圖10. 串?dāng)_誤差與差分輸入信號的關(guān)系

該多路復(fù)用信號鏈在噪聲與建立時間之間取得了最佳平衡，具有最優(yōu)性能。 這些結(jié)果表明，建立大電壓階躍、從ADC輸入端反沖以及在多路復(fù)用操作中降低串?dāng)_誤差幅度時需要用到寬帶寬、快速建立放大器。

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布局考慮因素

印刷電路板(PCB)布局對于保持信號完整性以及實(shí)現(xiàn)信號鏈的預(yù)期性能至關(guān)重要。 圖11所示為69 mm × 85 mm四層評估板的頂視圖。 在電路板上進(jìn)行獨(dú)立元器件和各種信號路由布局時必須十分仔細(xì)。 本例中，輸入信號從左至右進(jìn)行傳遞。 ADC的全部電源和基準(zhǔn)電壓源引腳都必須采用電容去耦;電容應(yīng)靠近DUT放置，并使用短而寬、低阻抗的走線進(jìn)行連接，以便為高頻電流提供路徑、最大程度降低EMI的影響并減少電源線路上的毛刺效應(yīng)。 數(shù)據(jù)手冊中建議的典型值為10 µF和100 nF。 多路復(fù)用器、放大器以及ADC的輸入和輸出引腳之下的接地層和電源層應(yīng)予以移除，以避免產(chǎn)生干擾寄生電容。 器件的裸露焊盤應(yīng)使用多個過孔直接焊接到PCB的接地層上。 將敏感模擬部分與數(shù)字部分相隔離，同時使電源電路遠(yuǎn)離模擬信號路徑。 快速開關(guān)信號(比如CNV±或CLK±)不應(yīng)靠近或越過模擬信號路徑，以防噪聲耦合至ADC。

圖11. 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評估板頂層

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

工業(yè)自動化和醫(yī)療成像中使用的高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求具有寬帶寬、高精度和快速采樣性能——所有這一切都必須通過小尺寸、低成本器件實(shí)現(xiàn)。 18位AD7960和16位AD7961具有5 MSPS吞吐速率，允許更多通道多路復(fù)用至更少的ADC，同時大幅降低成本、功耗和封裝尺寸。 這有助于設(shè)計人員應(yīng)對高通道密度系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的空間、散熱、功耗和其他重要設(shè)計挑挑戰(zhàn)。

出色的線性度和低噪聲性能可提升計算機(jī)斷層掃描(CT)和數(shù)字X射線(DXR)應(yīng)用中的圖像質(zhì)量。 在高采樣速率下將眾多通道切換至較少的ADC可提供更短的掃描周期，同時降低暴露在X射線下的劑量，從而實(shí)現(xiàn)精確、成本合理的診斷以及更佳的患者體驗(yàn)。 在CT掃描儀中，每通道使用一個積分器和采樣保持電路連續(xù)捕獲像素電流，并將輸出多路復(fù)用至高速ADC。 低噪聲模擬前端將來自每個像素的小電流轉(zhuǎn)換為大電壓，然后再將電壓轉(zhuǎn)換為能夠處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

多路復(fù)用醫(yī)療成像系統(tǒng)——特別是CT和DXR——指定相鄰像素的典型像素間串?dāng)_誤差為±0.1%，而非相鄰像素的誤差為±0.01%。 本文所示結(jié)果表明，本多路復(fù)用信號鏈在最大吞吐速率和滿量程范圍內(nèi)產(chǎn)生的串?dāng)_誤差仍處于可接受的限值之內(nèi)。

結(jié)論

高性能、高通道密度、多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求具備可靠的性能、靈活的功能以及高精度，同時還要滿足功耗、空間和散熱要求。 本文提供根據(jù)關(guān)鍵設(shè)計考慮因素來選擇多路復(fù)用信號鏈元器件以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的指南，以及如何在吞吐速率、建立時間和噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。 該信號鏈可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能，滿量程范圍內(nèi)的5 MSPS串?dāng)_誤差不超過0.01%。

作者簡介

Maithil Pachchigar[maithil.pachchigar@analog.com] 是位于馬薩諸塞州威明頓的ADI高精度轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用工程師。 他于2010年加入ADI公司，為工業(yè)、儀表、醫(yī)療和能源行業(yè)的客戶提供高精度ADC產(chǎn)品技術(shù)支持。 自2005年以來，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章和應(yīng)用筆記。 他于2006年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，并于2010年獲得硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。