Utiliser des modules avec amplificateurs intégrés pour éliminer la « magie noire » de la conception de CAN haute vitesse

Les concepteurs de systèmes de types acquisition de données, matériel dans la boucle (HiL) et analyseurs de puissance ont besoin d'une chaîne de conversion de signaux analogiques capable d'atteindre une haute résolution et une haute précision à des taux d'échantillonnage très élevés, souvent jusqu'à 15 méga-échantillons par seconde (Méch./s). Cependant, pour de nombreux concepteurs, les conceptions analogiques haute vitesse peuvent s'apparenter à de la « magie noire », surtout lorsqu'ils sont confrontés à une série de parasites cachés nuisant à l'intégrité des signaux.

Par exemple, les conceptions typiques sont discrètes et contiennent plusieurs circuits intégrés et composants, notamment un amplificateur entièrement différentiel (FDA), un filtre passe-bas (LPF) de 1^er ordre, une référence de tension et un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute vitesse et haute résolution. Des parasites capacitifs et résistifs existent dans et autour de l'amplificateur de circuit d'attaque CAN (l'amplificateur entièrement différentiel), du filtre d'entrée CAN et du CAN.

Il est difficile d'éliminer, de réduire ou d'atténuer les effets de ces parasites. Cela exige un haut niveau de compétences et peut nécessiter de nombreux cycles de conception de circuits et d'itérations de configuration de circuits imprimés, ce qui compromet les plannings et les budgets de conception. Ce qu'il faut, c'est une solution plus complète et intégrée qui résout bon nombre de ces problèmes de conception.

Cet article décrit un circuit d'acquisition de données discret et les problèmes de configuration associés, puis présente un module intégré qui contient un CAN à registre d'approximations successives (SAR) haute résolution et haute vitesse avec un amplificateur entièrement différentiel frontal. L'article montre comment le module ADAQ23875 complet d'Analog Devices et sa carte de développement associée permettent de surmonter les problèmes de conception haute vitesse en simplifiant et en accélérant le processus de conception tout en atteignant les résultats de conversion haute résolution et haute vitesse requis.

Trajet du signal d'acquisition de données haute vitesse

Les CAN hautes performances utilisent des entrées différentielles pour améliorer les performances globales en équilibrant les signaux d'entrée et en rejetant le bruit et les interférences de mode commun. Un circuit d'attaque CAN analogique atteint des performances optimales lorsque les entrées du circuit d'attaque CAN analogique et du CAN sont entièrement différentielles (Figure 1). L'utilisation d'une interface série de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) (à droite) permet au système de fonctionner à des vitesses extrêmement élevées pour servir les applications d'acquisition de données, HiL et d'analyseur de puissance.

Figure 1 : Système d'acquisition de données haute fréquence avec un amplificateur entièrement différentiel frontal, un filtre analogique de 1^er ordre et un CAN SAR à entrée différentielle avec une interface série LVDS haute vitesse. (Source de l'image : Bonnie Baker)

La configuration de la Figure 1 remplit de nombreuses fonctions essentielles, notamment la mise à l'échelle de l'amplitude, la conversion asymétrique-différentiel, la mise en mémoire tampon, l'ajustement de décalage de mode commun et le filtrage.

Technologie de circuit d'attaque d'amplificateur entièrement différentiel

Le fonctionnement du circuit d'attaque CAN à contre-réaction de tension de l'amplificateur entièrement différentiel est semblable à celui d'un amplificateur traditionnel, à deux différences près. Tout d'abord, l'amplificateur entièrement différentiel a une sortie différentielle avec une borne de sortie négative supplémentaire (V_ON). Deuxièmement, il possède une borne d'entrée additionnelle (V_OCM) qui définit la tension de mode commun de sortie (Figure 2).

Figure 2 : L'amplificateur entièrement différentiel a deux entrées avec des boucles de rétroaction et un contrôle de tension (V_OCM) de la tension de mode commun de sortie. Cette configuration crée une entrée différentielle indépendante (V_IN, dm) et des tensions de sortie différentielles (V_OUT, dm). (Source de l'image : Analog Devices)

En interne, l'amplificateur entièrement différentiel comporte trois amplificateurs : deux à l'entrée et le troisième agissant en tant qu'étage de sortie. La rétroaction négative (R_F1, R_F2) et le gain en boucle ouverte élevé de deux amplificateurs d'entrée internes dictent le comportement des bornes d'entrée, VA+ et VA-, qui doivent être pratiquement égales. Au lieu d'une sortie asymétrique, l'amplificateur entièrement différentiel produit une sortie différentielle équilibrée entre V_OP et V_ON, avec une tension de mode commun de V_OCM.

Les signaux d'entrée différentiels (V_IP et V_IN) sont égaux en amplitude et opposés en phase autour d'une tension de référence de mode commun (V_IN, cm) avec un signal d'entrée équilibré. Les Équations 1 et 2 montrent comment calculer la tension d'entrée de mode différentiel (V_IN, dm) et la tension d'entrée de mode commun (V_IN, cm).

 Équation 1

 Équation 2

Les Équations 3 et 4 fournissent les définitions de mode différentiel et de mode commun de sortie.

 Équation 3

 Équation 4

Notez l'ajout de V_OCM dans l'Équation 4.

Comme pour les circuits d'amplificateurs typiques, le gain du système de l'amplificateur entièrement différentiel dépend des valeurs R_Gx et R_Fx. Les Équations 5 et 6 définissent les deux facteurs de rétroaction d'entrée, β₁ et β₂, pour l'amplificateur entièrement différentiel.

 Équation 5

 Équation 6

Lorsque β₁ est égal à β₂, l'Équation 7 donne le gain idéal en boucle fermée pour l'amplificateur entièrement différentiel.

 Équation 7

V_OUT, dm donne un aperçu des performances de désadaptation résistive. L'Équation générale en boucle fermée pour V_OUT, dm inclut V_IP, V_IN, β₁, β₂ et V_OCM. L'Équation 8 montre la formule pour V_OUT, dm avec le gain en tension en boucle ouverte de l'amplificateur désigné par A(s).

 Équation 8

Lorsque β₁ ≠ β₂, l'erreur de tension de sortie différentielle (V_OUT, dm) dépend principalement de V_OCM. Ce résultat indésirable produit un décalage et un excès de bruit dans la sortie différentielle. Si β₁ = β₂ ≡ β, l'Équation 8 devient l'Équation 9.

 Équation 9

Les deux composantes d'équilibre de sortie sont l'amplitude et la phase. L'équilibre d'amplitude mesure si les deux amplitudes de sortie correspondent ; idéalement, elles correspondent exactement. L'équilibre de phase mesure la proximité des différences de phase entre les deux sorties, l'idéal équivalant à 180°.

Les considérations relatives à la stabilité de l'amplificateur entièrement différentiel sont les mêmes que pour les amplificateurs opérationnels standard. La spécification clé est la marge de phase. Les fiches techniques des produits fournissent la marge de phase d'une configuration d'amplificateur particulière ; cependant, les effets parasites de la configuration du circuit imprimé peuvent considérablement réduire la stabilité. Dans le cas d'un amplificateur à contre-réaction de tension négative, c'est assez simple : la stabilité dépend de son gain de boucle, A(s) × β, de son signe et de son amplitude. L'amplificateur entièrement différentiel, en revanche, a deux facteurs de rétroaction. Les Équations 8 et 9 ont le gain de boucle dans leurs dénominateurs. L'Équation 10 décrit le gain de boucle pour le cas du facteur de rétroaction non correspondant (β1 ≠ β2).

 Équation 10

L'atténuation de toutes les erreurs ci-dessus dépend du processus d'adaptation fastidieux et coûteux avec les résistances discrètes R_G1, R_G2, R_F1 et R_F2.

Performances FDA et CAN combinées

La combinaison de l'amplificateur entièrement différentiel, des résistances discrètes, du filtre de 1^er ordre et du CAN fournit des informations sur le rapport signal/bruit (SNR), la distorsion harmonique totale (THD), le rapport signal/bruit plus distorsion (SINAD) et la plage dynamique sans parasites (SFDR) qui s'ajoutent aux caractéristiques de performances de l'amplificateur entièrement différentiel en matière de précision et de résolution globales du circuit. Les spécifications combinées incluent les valeurs SNR, THD, SINAD et SFDR. L'amplificateur entièrement différentiel a de nombreuses spécifications qui ont un impact sur ces spécifications de fréquence, comme la bande passante, la tension de bruit de sortie, la distorsion, la stabilité et le temps de stabilisation, qui ont tous une incidence sur les performances du CAN. Le CAN a son propre ensemble de spécifications. Le défi majeur consiste à sélectionner l'amplificateur entièrement différentiel approprié pour correspondre au CAN.

Configuration de la carte

La configuration du circuit imprimé est la dernière étape du processus de conception. Malheureusement, la configuration peut être une étape de conception négligée, entraînant une mauvaise conception de la carte qui peut compromettre le circuit ou le rendre inutile. Ce circuit discret complet comporte trois circuits intégrés, six résistances et plusieurs condensateurs de découplage (Figure 3).

Figure 3 : Amplificateur entièrement différentiel et CAN SAR avec filtre passe-bas de 1^er ordre avec condensateurs de découplage de l'alimentation. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 3, les éléments parasites qui nuisent aux performances des circuits haute vitesse sont la capacité et l'inductance parasites des circuits imprimés. Les plots des composants, les traces, les vias et les masses en parallèle avec les plans d'alimentation sont les coupables. Ces capacités et inductances sont particulièrement dangereuses au niveau des nœuds de sommation de l'amplificateur où elles introduisent des pôles et des zéros dans la réponse de rétroaction, provoquant des pics et une instabilité.

Solution intégrée

Les convertisseurs SAR peuvent offrir un amplificateur entièrement différentiel, des composants passifs essentiels, des filtres de 1^er ordre, une référence de tension et des condensateurs de découplage pour améliorer la résolution effective. Par exemple, l'ADAQ23875 d'Analog Devices est un module d'acquisition de données 16 bits, 15 Méch./s, doté de tous ces éléments (Figure 4). En tant que tel, il réduit le cycle de développement des systèmes de mesure de précision en transférant la charge de sélection, d'optimisation et de configuration des composants du concepteur au circuit intégré.

Figure 4 : L'ADAQ23875 simplifie la conception des CAN haute vitesse en combinant un amplificateur entièrement différentiel, un filtre de 1^er ordre, un CAN SAR sur un seul module pris en charge par des résistances de gain ajustées au laser autour de l'amplificateur entièrement différentiel, et des condensateurs de découplage intégrés. (Source de l'image : Analog Devices)

Les composants résistifs passifs sur puce possèdent des caractéristiques d'adaptation et de dérive supérieures afin de minimiser les sources d'erreur dépendantes des parasites, et offrent des performances optimisées pour garantir l'adaptation étroite de β₁ et β₂. L'adaptation de ces gains de boucle contribue à créer les spécifications de bruit RMS total de 91,6 microvolts efficaces (µV_RMS) et de décalage de ±1 millivolt (mV) du module.

La référence de tension de 2,048 volts (V) à bande interdite présente un faible bruit et une faible dérive (20 parties par million par degré Celsius (ppm/°C)) pour prendre en charge l'amplificateur entièrement différentiel et le système CAN 16 bits. En conjonction avec l'amplificateur entièrement différentiel, ces spécifications se traduisent par une précision SNR de 90 dB pour le CAN SAR et une dérive de gain de ±1 ppm/°C. La broche V_OCM de l'amplificateur entièrement différentiel utilise les 2,048 V de la référence pour fournir la tension de mode commun de sortie.

Un tampon de référence interne multiplie par deux la référence de 2,048 V pour créer 4,096 V pour la tension de référence du CAN. La différence de tension entre la référence du CAN et GND détermine la plage d'entrée pleine échelle du CAN SAR de l'ADAQ23875. De plus, l'ADAQ23875 est doté d'un condensateur de découplage de 10 microfarads (μF) intégré entre le tampon de référence et GND pour absorber les pics de charge de conversion de référence du CAN SAR et atténuer les limitations de configuration de la conception discrète.

Comme illustré à la Figure 4, la tension de mode commun d'entrée de l'amplificateur entièrement différentiel est indépendante de la tension de mode commun de sortie de l'amplificateur entièrement différentiel. Dans les exemples 1 à 3, les tensions d'alimentation sont :

VS+ = 7 V (tension d'alimentation positive de l'amplificateur entièrement différentiel)

VS- = -2 V (tension d'alimentation négative de l'amplificateur entièrement différentiel)

VDD = +5 V (tension d'alimentation du CAN)

VIO = 2,5 V (alimentation des sorties analogiques et numériques)

L'exemple 1 montre une plage de tension d'entrée de ±1,024 V avec une tension de mode commun d'entrée de -1 V. L'amplificateur entièrement différentiel applique un gain de 2 V/V à ces signaux, et le niveau de l'amplificateur entièrement différentiel décale la tension de sortie de la valeur à V_CMO ou de 2,048 V. Le processus présente une plage de signaux de ±2,048 V avec une tension de mode commun depuis V_CMO de 2,48 V à la sortie de l'amplificateur entièrement différentiel. La fréquence de bruit du filtre de 1^er ordre est de 1/(2pR x C) hertz (Hz) ou ~78 mégahertz (MHz). La plage d'entrée du signal pour le CAN est de ±2,048 V, avec une tension de mode commun de +2,048 V.

L'ADAQ23875 est doté d'une interface numérique LVDS avec des modes de sortie à une ou deux voies, permettant à l'utilisateur d'optimiser le débit de données d'interface de chaque application. L'alimentation numérique pour l'interface est VIO.

L'ADAQ23875 est doté de quatre alimentations : une alimentation de cœur CAN interne (VDD), une alimentation d'interface entrée/sortie numérique (VIO), une alimentation positive d'amplificateur entièrement différentiel (VS+) et une alimentation négative (VS-). Afin d'atténuer les problèmes de configuration des circuits imprimés, toutes les broches d'alimentation sont équipées de condensateurs de découplage intégrés de 0,1 mF ou 0,2 mF. Il est nécessaire de placer des condensateurs de découplage en céramique de bonne qualité de 2,2 μF (0402, X5R) sur le circuit imprimé à la sortie des régulateurs LDO. Ces régulateurs génèrent les rails d'alimentation μModule (VDD, VIO, VS+ et VS-) afin de minimiser la sensibilité aux interférences électromagnétiques (EMI) et de réduire l'impact sur les parasites transitoires de la ligne d'alimentation. Tous les autres condensateurs de découplage requis sont dans l'ADAQ23875, ce qui améliore le taux de réjection de l'alimentation (PSRR) du sous-système global et permet d'économiser de l'espace carte et des coûts supplémentaires. Pour utiliser la référence interne et le tampon de référence interne, découplez la broche REFIN sur GND avec un condensateur céramique de 0,1 μF.

Le module ADAQ23875 élimine les problèmes de sélection de l'amplificateur entièrement différentiel et du réseau résistif appropriés pour le CAN, tout en garantissant des performances élevées et des spécifications étroites pour les valeurs SNR, THD, SINAD et SFDR (89,5 dB, -115,8 dB, 89 dB et 114,3 dB, respectivement) (Figure 5). En général, c'est au concepteur qu'il revient de recueillir les spécifications du système. L'approche système de l'ADAQ23875 aide les concepteurs à atteindre ces spécifications plus efficacement.

Figure 5 : Le module ADAQ23875 crée des spécifications SNR, THD, SINAD, SFDR qui passent par l'amplificateur entièrement différentiel intégré, le filtre de 1^er ordre et le CAN SAR. (Source de l'image : Analog Devices)

La Figure 5 montre les résultats des tests SNR, THD, SINAD et SFDR pour un signal d'entrée différentiel de 1 kHz dans l'ADAQ23875. Pour une application spécifique, la carte EVAL-ADAQ23875FMCZ pour l'ADAQ23875 dispose d'un logiciel d'aide à l'évaluation du dispositif, notamment la programmation du dispositif et l'acquisition de formes d'ondes, d'histogrammes et FFT. Les concepteurs peuvent connecter la carte d'évaluation à la plateforme de démonstration système EVAL-SDP-CH1Z d'ADI pour l'alimentation et pour permettre le contrôle de la carte d'évaluation par un PC via le port USB du SDP-CH1Z (Figure 6).

Figure 6 : La carte d'évaluation ADAQ23875FMCZ (à gauche) est connectée à la carte de plateforme de démonstration système (EVAL-SDP-CH1Z) (à droite), permettant le contrôle de la carte d'évaluation via le port USB d'un PC. (Source de l'image : Analog Devices)

Les logiciels de la carte d'évaluation, ACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [18/02/21] et ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [8/02/21], permettent à l'utilisateur de configurer la valeur de suréchantillonnage de chaque canal, la plage d'entrée, le nombre d'échantillons et la sélection du canal actif. De plus, ces logiciels permettent également d'enregistrer et d'ouvrir des fichiers de données de test.

Conclusion

Pour surmonter les défis liés à la conception analogique haute vitesse et offrir les meilleures performances globales d'acquisition de données, les concepteurs peuvent se tourner vers le module ADAQ23875. Il s'agit d'un système de conversion haute vitesse complet qui inclut un amplificateur entièrement différentiel, un filtre passe-bas de 1^er ordre, un CAN SAR et un ensemble de condensateurs de découplage qui amplifient les signaux d'excitation et fournissent les signaux de commande appropriés, ainsi que le filtrage et la rétro-alimentation des signaux secondaires. Le module de système d'acquisition de données hautement intégré ADAQ23875 élimine la « magie noire » analogique de la conception grâce à une solution de CAN SAR à amplificateur entièrement différentiel pour l'acquisition de données haute vitesse, le matériel dans la boucle (HiL) et les analyseurs de puissance.