פתרון רכישת נתונים של μModule מקל על אתגרים הנדסיים עבור סט מגוון של יישומים מדויקים

אתגרים ברמת רכישת נתונים ארכיטקטי מערכות ומעצבי חומרה ברמת מעגלים מוציאים משאבי מחקר ופיתוח משמעותיים (מו"פ) כדי לפתח בלוקים של שרשרת אותות ליניארית ודיוקית עם ביצועים גבוהים, ביצועים גבוהים ודיוק עבור היישום הסופי שלהם (כגון בדיקה ומדידה, אוטומציה תעשייתית, שירותי בריאות, או תעופה וחלל והגנה) כדי למדוד ולהגן, להתנות ולרכוש, או לסנתז ולהניע. מאמר זה יתמקד בתת-מערכת לרכישת נתונים מדויקת, כפי שמוצג באיור 1. איור 1. תרשים בלוקים של מערכת רכישת נתונים ברמה גבוהה. הדינמיקה של תעשיית האלקטרוניקה מתפתחת במהירות ויש פחות זמן לבנות ולאבטיפוס של מעגלים אנלוגיים כדי לאמת את הפונקציונליות שלהם כאשר השליטה בתקציבי המו"פ והזמן לשוק (TTM) הופכים מאתגרים. מתכנני חומרה דורשים ביצועי המרת נתונים מדויקים ומתקדמים וחוסן מוגבר עבור עיצובים מורכבים בגורם צורה שהולך ומתכווץ בין מגבלות צפיפות המעגלים התרמיים והמודפסים (PCB). אינטגרציה הטרוגנית באמצעות טכנולוגיית System-in-Package (SiP) ממשיכה לקדם מגמות מפתח בתעשיית האלקטרוניקה, כולל המעבר לצפיפות גבוהה יותר, פונקציונליות מוגברת, ביצועים משופרים וזמן ממוצע ארוך יותר עד לכשל. מאמר זה ימחיש כיצד Analog Devices ממנף אינטגרציה הטרוגנית כדי לשנות את שדה המשחק של המרות דיוק ולספק פתרונות המשפיעים על אפליקציה משמעותית. מתכנני מערכות מתמודדים עם אתגרים לוגיסטיים כגון בחירת רכיבים ואופטימיזציה של עיצוב עבור אבות טיפוס סופיים ואתגרים טכניים כגון הנעת כניסות ADC, הגנה על כניסות ADC מאירועי מתח יתר, מזעור הספק המערכת והשגת תפוקת מערכת גבוהה יותר עם מיקרו-בקרים ו/או מבודדים דיגיטליים בהספק נמוך. . עם התמקדות מוגברת בתוכנות ויישומים של המערכת כדי לבדל את פתרון המערכת שלהם, יצרני OEM מקצים יותר משאבים לפיתוח תוכנה במקום לפיתוח חומרה. זה גורם ללחץ מוגבר על פיתוח החומרה כדי לצמצם איטרציות עיצוב. מתכנני מערכות המפתחים שרשראות אותות רכישת נתונים דורשים בדרך כלל עכבת כניסה גבוהה כדי לאפשר ממשק ישיר עם מגוון חיישנים, שיכולים להיות בהם מתחים משתנים במצב משותף ואותות כניסה חד-קוטביים או דו-קוטביים חד-קוטביים או דיפרנציאליים. בואו ניקח מבט הוליסטי של שרשרת האותות האופיינית המיושמת באמצעות רכיבים בדידים ונבין כמה מנקודות הכאב הטכניות העיקריות של מעצב המערכת בעזרת האיור באיור 2. החלק המרכזי של תת-מערכת רכישת הנתונים המדויק מוצג, שבו פלט 20 V pp של מגבר המכשור מוחל על הקלט הבלתי הפיך של מגבר דיפרנציאלי לחלוטין (FDA). FDA זה מספק מיזוג אות הכרחי, כולל הסטת רמה, הנחתת האות והגדרת נדנדת המוצא בין 0 V ל- 5 V עם מצב נפוץ של 2.5 V, הפוך בפאזה, וכתוצאה מכך אות דיפרנציאלי של 10 V pp לכניסות ADC ל למקסם את הטווח הדינמי שלו. המגבר מופעל עם ספקים כפולים של ±15 וולט, בעוד שה-FDA מופעל מ-+5 וולט/–1 וולט וה-ADC מופעל מאספקת 5 וולט. היחס בין נגדי המשוב (RF1 = RF2) להעלות נגדים (RG1 = RG2) קובע את הרווח של ה- FDA ל- 0.5. רווח הרעש (NG) של ה-FDA מוגדר כ: כאשר β1 ו- β2 הם גורמי משוב: האיור 2. סכימה פשוטה של ​​שרשרת אות רכישת נתונים טיפוסית. חלק זה יציג כיצד חוסר האיזון במעגל (כלומר, β1 ≠ β2) או חוסר ההתאמה בנגדי המשוב וההגבר (RG1, RG2, RF1, RF2) סביב ה-FDA משפיעים על מפרטי מפתח כגון SNR, עיוות, ליניאריות, שגיאת רווח, סחיפה. , ויחס דחיית מצב משותף קלט. מתח המוצא הדיפרנציאלי של ה-FDA תלוי ב-VOCM, כך שכאשר גורמי המשוב β1 ו-β2 אינם שווים, כל חוסר איזון באמפליטודת המוצא או הפאזה מייצר רכיב משותף לא רצוי בפלט, המוגבר על ידי רווח הרעש שלו וגורם ל- רעש מיותר וקיזוז בתפוקה הדיפרנציאלית של ה-FDA. לכן, הכרחי שהיחס בין נגדי רווח/משוב יתאים היטב. במילים אחרות, השילוב של עכבת מקור הכניסה ו-RG2 (RG1) צריך להתאים (כלומר, β1 = β2) כדי למנוע את עיוות האות, חוסר התאמה במתח המצב המשותף של כל אות פלט, ולמנוע את העלייה ב- common- רעש מצב המגיע מה-FDA. אחת הדרכים לאיזון נגד היסט דיפרנציאלי ולהימנע מעיוות פלט היא הוספת נגד חיצוני בסדרה עם נגד רווח (RG1). לא רק זה, הסחף של שגיאת הרווח מושפע גם מבחירה של סוג נגד כגון סרט דק, נגד מקדם טמפרטורה נמוך, בעוד שרכישת נגדים מותאמים היא מאתגרת על רקע מגבלות עלויות וחלל לוח. בנוסף, היצירה של אספקה ​​דו-קוטבית מוזרה אינה נוחה עבור מעצבים רבים בשל העלות הנוספת ומגבלות הנדל"ן על ה-PCB שלהם. המעצבים צריכים גם לבחור בקפידה את הרכיבים הפאסיביים האופטימליים, כולל מסנן RC מעביר נמוך (המוצב בין פלט מנהל ההתקן של ה-ADC לכניסות ה-ADC) וכן קבל ניתוק עבור צומת ההתייחסות הדינמי של אוגר קירוב (SAR)ADC. מסנן RC מסייע להגביל את הרעש בכניסות ה-ADC ומפחית את ההשפעה של החזרות המגיעות מכניסת ה-DAC הקיבולית של SAR ADC. יש לבחור את הקבלים מסוג C0G או NP0 וערך סביר של התנגדות סדרה כדי לשמור על יציבות המגבר ולהגביל את זרם המוצא שלו. לבסוף, פריסת ה-PCB היא קריטית ביותר לשימור שלמות האות והשגת הביצועים הצפויים משרשרת האות. הקלה על מסע העיצוב של הלקוח מתכנני מערכות רבים מיישמים בסופו של דבר ארכיטקטורת שרשרת אותות שונה עבור אותם יישומים. עם זאת, מידה אחת לא מתאימה לכולם, ולכן Analog Devices, Inc. (ADI) התמקדה בחלקים נפוצים של שרשרת האותות, מיזוג אותות ודיגיטציה על ידי מתן פתרונות שלמים יותר של שרשרת האותות של μModule® עם ביצועים מתקדמים המגשרים על פער בין רכיבים בדידים סטנדרטיים לבין IC משולבים מאוד ספציפיים ללקוח כדי לפתור את נקודות הכאב העיקריות שלהם. ה-ADAQ4003 הוא פתרון SiP המספק את האיזון הטוב ביותר בין עלות מו"פ והפחתת גורמי צורה תוך האצת זמן עד לאבות טיפוס. פתרון רכישת הנתונים הדיוק של ADAQ4003 μModule משלב מספר בלוקים נפוצים של עיבוד אותות ומיזוג, כמו גם רכיבים פסיביים קריטיים המונחים בהתקן יחיד באמצעות טכנולוגיית SiP המתקדמת של ADI (ראה איור 5). ה-ADAQ4003 כולל רעש נמוך, FDA, מאגר ייחוס יציב ורזולוציה גבוהה של 18 סיביות, 2 MSPS SAR ADC. ה-ADAQ4003 מפשט את עיצוב שרשרת האותות ואת מחזור הפיתוח של מערכת מדידה מדויקת על ידי העברת בחירת רכיבים, אופטימיזציה ופריסה מהמעצב למכשיר עצמו ופותר את כל הבעיות העיקריות שנדונו בסעיף הקודם. מערך הנגדים המדויקים סביב ה- FDA בנוי באמצעות טכנולוגיית iPassives® הקניינית של ADI, המטפלת בחוסר איזון במעגלים, מפחיתה טפילים, מסייעת בהשגת תאימות של רווח גבוה עד 0.005%ובעלת ביצועי סחיפה אופטימליים (1 עמודים לדקה/° C). טכנולוגיית iPassives מציעה גם יתרון בגודל בהשוואה לפסיביים בדידים, אשר ממזערת מקורות שגיאה תלויי טמפרטורה ומפחיתה את עומס הכיול ברמת המערכת. טווח ההתיישבות המהיר וטווח הקלט הרחב של ה- FDA, יחד עם ביצועי דיוק לאפשרויות רווח הניתנות להגדרה (0.45, 0.52, 0.9, 1 או 1.9), מאפשרות התאמות רווח או הנחתה, כמו גם דיפרנציאל מלא או חד קצוני- קלט דיפרנציאלי. ה-ADAQ4003 כולל מסנן RC חד-קוטבי בין מנהל ההתקן של ה-ADC ל-ADC, אשר תוכנן למקסם את זמן ההתמקמות ואת רוחב הפס של אות הכניסה. כל קבלי הניתוק הדרושים לצומת הייחוס וספקי המתח כלולים גם כדי לפשט את קובץ החומרים (BOM). ה- ADAQ4003 מכיל גם מאגר הפניה המוגדר ברווח אחדות בכדי להניע באופן אופטימלי את עכבת הכניסה הדינמית של צומת ההפניה SAR ADC ואת קבל הניתוק המתאים. 10 μF על פין ה-REF הוא דרישה קריטית כדי לעזור לחדש את המטען של DAC קיבולי פנימי במהלך תהליך החלטת הסיביות וחיונית להשגת ביצועי המרה שיא. עם הכללת מאגר ההתייחסות, המשתמש יכול ליישם מקור ייחוס הספק נמוך בהרבה מאשר שרשרות אותות מסורתיות רבות מבוססות SAR ADC, מכיוון שמקור הייחוס מניע צומת עכבה גבוהה במקום העומס הדינמי של מערך קבלי SAR. למשתמש יש את הגמישות לבחור את מתח הכניסה של מאגר הייחוס התואם את טווח הכניסה האנלוגי הרצוי. איור 3. השוואת גודל של התקן ADAQ4003 μModule לעומת פתרון שרשרת אותות בדידה. פריסת הלוח המודפס היא קריטית לשמירה על תקינות האותות ולהשגת הביצועים הצפויים משרשרת האותות. הנעילה של ה- ADAQ4003 מקלה על הפריסה ומאפשרת לאותות האנלוגיים שלה בצד שמאל ולאותות הדיגיטליים שלה בצד ימין. במילים אחרות, הדבר מאפשר למעצבים לשמור על החלקים האנלוגיים והדיגיטליים הרגישים נפרדים ומוגבלים לאזורים מסוימים בלוח ולהימנע מהצלבה של אותות דיגיטליים ואנלוגיים כדי להפחית רעש מקרין. ה-ADAQ4003 משלב את כל הקבלים הקרמיים הנחוצים (התנגדות סדרה מקבילה נמוכה (ESR) והשראת סדרה שווה ערך נמוכה (ESL)) עבור הפינים הייחוס (REF) ואספקת החשמל (VS+, VS−, VDD ו-VIO). קבלים אלה מספקים נתיב עכבה נמוכה לאדמה בתדרים גבוהים כדי להתמודד עם זרמים חולפים. אין צורך בקבלי ניתוק חיצוניים, ובהיעדר קבלים אלה, אין השפעה ידועה על ביצועים או בעיה כלשהי של EMI. השפעת הביצועים הזו אומתה על לוח ההערכה של ADAQ4003 על ידי הסרת קבלי הניתוק החיצוניים בפלט של רגולטורי ייחוס ו-LDO המייצרים את המסילות המובנות (REF, VS+, VS−, VDD ו-VIO). איור 4 מראה שכל שלוחות קבורות הרבה מתחת ל-120 dB ברצפת הרעש, ללא קשר אם משתמשים בקבלי הניתוק החיצוניים או מסירים אותם. מקדם הצורה הקטן של ADAQ4003 מאפשר את פריסת ה-PCB בצפיפות ערוץ גבוהה תוך הפחתת אתגרים תרמיים. עם זאת, המיקום של רכיבים בודדים וניתוב של אותות שונים על ה-PCB הוא קריטי. הניתוב הסימטרי של אותות קלט ופלט תוך שמירה על מעגל אספקת החשמל הרחק מנתיב האות האנלוגי, שכבת מתח נפרדת עם עקבות גדולה ככל האפשר, חיוני במיוחד כדי לספק נתיבים עם עכבה נמוכה ולהפחית את ההשפעות של תקלות על אספקת הכוח. קווים ולהימנע מהבעיה מסוג EMI. איור 4. ADAQ4003 FFT עם כניסות קצרות, כשהביצועים לא השתנו לפני ואחרי הסרת קבלי הניתוק החיצוניים עבור מסילות שונות. נהיגה ב-ADAQ4003 באמצעות PGIA עם עכבה גבוהה כפי שצוין קודם לכן, קצוות חזית בעלי עכבה גבוהה נדרשים בדרך כלל להתחבר ישירות לסוגים שונים של חיישנים. לרובם של מגברי המכשור וההגבר הניתן לתכנות (PGIAs) יש יציאות חד-קצה, שאינן יכולות להניע ישירות את שרשרת האותות לרכישת נתונים דיפרנציאלית מלאה. עם זאת, ה-LTC6373 PGIA מציע יציאות דיפרנציאליות מלאות, רעש נמוך, עיוות נמוך ורוחב פס גבוה, שיכולים להניע ישירות את ה-ADAQ4003 מבלי לוותר על ביצועי דיוק, מה שהופך אותו מתאים ליישומי שרשרת אותות רבים. ה- LTC6373 מצורף DC על הכניסה והפלט עם הגדרות רווח לתכנות (באמצעות סיכות A2, A1 ו- A0). באיור 5, ה-LTC6373 משמש בתצורת קלט דיפרנציאלי למוצא דיפרנציאלי ואספקה ​​כפולה של ±15 וולט. ניתן להשתמש ב-LTC6373 גם בתצורת קלט למוצא דיפרנציאלי במידת הצורך. ה-LTC6373 מניע ישירות את ה-ADAQ4003 כשההגבר שלו מוגדר כ-0.454. פין VOCM של LTC6373 מחובר לאדמה והיציאות שלו נעות בין 5.5 וולט ל-+5.5 וולט (הפוכה בפאזה). ה-FDA של רמת ADAQ4003 מעביר את היציאות של ה-LTC6373 כדי להתאים למצב הקלט הנפוץ הרצוי של ADAQ4003 ומספק את משרעת האות הדרושה לניצול טווח האותות המקסימלי של 2×VREF שיא לשיא של ה-ADC בתוך מודול ה- ADAQ4003 μ התקן. איור 6 ואיור 7 מציגים את ביצועי ה-SNR וה-THD באמצעות הגדרות רווח שונות של LTC6373, בעוד שאיור 8 מציג את ביצועי INL/DNL של ±0.65 LSB/±0.25 LSB עבור תצורת המעגל המוצגת באיור 5. איור 5. LTC6373 נוהג ב-ADAQ4003 (רווח = 0.454, 2 MSPS). איור 6. SNR לעומת הגדרת ההגבר של LTC6373, כאשר ה-LTC6373 מניע את ה-ADAQ4003 (הגבר = 0.454, 2 MSPS). איור 7. THD לעומת הגדרת הרווח LTC6373, כאשר ה- LTC6373 מניע את ADAQ4003 (רווח = 0.454, 2 MSPS). איור 8. ביצועי INL/DNL, כאשר ה-LTC6373 (רווח = 1) מניע את ה-ADAQ4003 (רווח = 0.454). מקרה שימוש ביישום ADAQ4003 μModule: ATE חלק זה יתמקד כיצד ה-ADAQ4003 מתאים מאוד ליחידות מדידת מקור (SMUs) וספקי כוח של מכשירים (DPSs) עבור ATE. מכשירים מודולריים אלה משמשים לבדיקת מגוון רחב של סוגי שבבים עבור שוקי הסמארטפונים, ה- 5G, הרכב וה- IoT שצומחים במהירות. למכשירים מדויקים אלו יכולת כיור/מקור, המצריכה לולאת בקרה לכל ערוץ שדואגת לוויסות המתח והזרם המתוכנת, והם דורשים דיוק גבוה (במיוחד ליניאריות עדינה), מהירות, טווח דינמי רחב (למדידת μA/ רמות אות μV), מונוטוניות וגורם צורה קטן כדי להכיל את מספר הערוצים המוגדל במקביל. ה-ADAQ4003 מציע ביצועי דיוק פורצי דרך, מפחית את ספירת רכיבי מערכת הקצה ומאפשר צפיפות ערוצים משופרת בתוך מגבלות שטח הלוח תוך הקלת עומס הכיול והאתגרים התרמיים שלהם עבור סוגים אלה של מכשירי בדיקה הניתנים להרחבה למדידת DC. הדיוק הגבוה של ה-ADAQ4003 בשילוב עם קצב דגימה מהיר מפחית רעש, וללא חביון הופך אותו לאידיאלי עבור יישומי לולאת בקרה כדי לספק תגובת צעדים אופטימלית והתיישבות מהירה לשיפור יעילות הבדיקה. ה-ADAQ4003 עוזר להקל על עומס התכנון על ידי ביטול מאגרים להפצת מתח הייחוס על מכשירים עקב הסחף שלהם ועבור אילוצי שטח בלוח. בנוסף, ביצועי הסחף וההזדקנות קובעים את הדיוק של מכשיר בדיקה, כך שהסחף הדטרמיניסטי של ה-ADAQ4003 מפחית את עלות הכיול מחדש ואת זמן ההשבתה של המכשיר. ה-ADAQ4003 עונה על הדרישות הללו, דוחף את יכולת המכשירים למדוד טווחי מתח וזרם נמוכים יותר, ועוזר להם לייעל את לולאת הבקרה שלהם עבור מגוון תנאי עומס, המתורגמים ישירות לשיפור במפרטי ההפעלה, יעילות הבדיקה, התפוקה והעלות עבור הכלים. תפוקת הבדיקה הגבוהה וזמני הבדיקה הקצרים יותר של מכשירים אלה מתורגמים ישירות לעלות בדיקה נמוכה יותר עבור משתמשי הקצה. דיאגרמת הבלוק ברמה הגבוהה של SMU מוצג באיור 9 ושרשרת האותות המתאימה לו מוצגת באיור 5. איור 9. תרשים בלוקים מפושט יחידת מדידת מקור. קצב התפוקה הגבוה מאפשר דגימת יתר של ADAQ4003 להשיג את רעש ה- RMS הנמוך ביותר ולזהות אותות משרעת קטנים על פני רוחב הפס הרחב. דגימת יתר של ה-ADAQ4003 בפקטור של ארבע מספקת ביט נוסף אחד של רזולוציה (זה אפשרי רק בגלל שה-ADAQ4003 מספק ליניאריות מספקת - ראה איור 8) או עלייה של 6 dB בטווח הדינמי - במילים אחרות, שיפור ה-DR עקב דגימת יתר זו מוגדר כ: ΔDR = 10 × log10 (OSR) ב- dB. הטווח הדינמי הטיפוסי של ADAQ4003 הוא 100 dB ב-2 MSPS עבור התייחסות של 5 וולט כשהכניסות שלו מקוצרות לאדמה. לכן, כאשר דגימת יתר של ה-ADAQ4003 בפקטור של 1024× בקצב נתוני פלט של 1.953 kSPS, הוא מציע טווח דינמי ללא תחרות של ~130 dB עבור רווח של 0.454 ו-0.9, שיכול לזהות במדויק אותות μV משרעת קטנה מאוד. איור 10 מציג את הטווח הדינמי וה-SNR של ADAQ4003 עבור קצבי דגימת יתר ותדרי כניסה שונים של 1 קילו-הרץ ו-10 קילו-הרץ. איור 10. טווח דינמי ADAQ4003, עם SNR לעומת קצב דגימת יתר (OSR) לתדרי קלט שונים. איור 11. הפחתת עלות הבעלות הכוללת באמצעות טכנולוגיית שרשרת האותות μModule. מסקנה מאמר זה הציג כמה היבטים מרכזיים ואתגרים טכניים הקשורים לתכנון מערכות רכישת נתונים מדויקות וכיצד Analog Devices ממנפת את מומחיות התחום שלה בלינארים וממירים כדי לפתח את פתרון שרשרת האות ADAQ4003 המובחן ביותר μModule לפתרון כמה מהבעיות ההנדסיות הקשות ביותר. ה-ADAQ4003 מקל על עומסי הנדסה כגון בחירת רכיבים ובניית אבות טיפוס מוכנים לייצור, תוך שהוא מאפשר למתכנני מערכות לספק פתרונות מערכת מכובדים ללקוחות הקצה שלהם מהר יותר. ביצועי הדיוק פורצי הדרך של מכשיר ADAQ4003 μModule בשילוב עם מקדם צורה קטן מוסיפים ערך רב יותר עבור מגוון רחב של יישומים המתמקדים בהמרת נתונים מדויקת עבור יישומים מגוונים כמו ציוד בדיקה אוטומטי (SMU, DPS), בדיקה ומדידה אלקטרונית (מדידת עכבה), שירותי בריאות (ניטור סימנים חיוניים, אבחון, הדמיה) וחלל (תעופה), כמו גם כמה שימושים תעשייתיים (מודולי קלט/פלט אוטומציה של מכונות). פתרונות μModule כגון ADAQ4003 מפחיתים באופן משמעותי את עלות הבעלות הכוללת של מעצבי מערכות (כפי שמוצג באיור 11 בכל אחד מהתחומים) ומפחיתים את עלות הרכבה של ה- PCB, מגדילים את תמיכת הייצור על ידי שיפור התשואה הרבה-הרבה, מאפשרים שימוש חוזר בעיצוב עבור פלטפורמות מדרגיות/מודולריות, ומפשטות את עומס הכיול ביישום הסופי שלהן, תוך האצת ה-TTM שלהן.

השאר הודעה 

רשימת הודעות