A1323 ElInd 01 2016 DE final layout · PDF file Bevor endgültig über Schaltplan und...

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    16-Jun-2020
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Transcript of A1323 ElInd 01 2016 DE final layout · PDF file Bevor endgültig über Schaltplan und...

  • Perfekt dimensioniert

    Design eines Datenerfassungssystems mit extrem geringen Verzerrungen von -130 dB

    Srudeep Patil und Carmelo Morello, Maxim Integrated

    Wenn einem Datenerfassungssystem ein Maximum an Performance verliehen werden soll, muss auf das Rauschen, die Filterparameter, den als ADC-Treiber fungierenden Operationsverstärker und vieles mehr geachtet werden – ganz abgesehen davon, dass ein sehr rauscharmer und hochauflösender ADC gewählt werden muss. Datenerfassungssysteme sind die standardmäßigen Mess- und Analyseinstrumente für Anwendungen im Industrie-, Medizin- und Telekommunikationsbereich wie zum Beispiel medizinische Bildgebungssysteme, die Audio- und Schwingungsanalyse oder das Testen analoger und digitaler Modulationssysteme. In den meisten Fällen wird das erfasste und digitalisierte Signal per FFT (Fast Fourier Transform) aufbereitet, um die daraus resultierende Spektralanalyse nach drei dynamischen Performance-Parametern zu quantifizieren: Signal-Rauschabstand (Signal-to-Noise Ratio – SNR), störungsfreier Dynamikbereich (Spurious-Free Dynamic Range – SFDR) und Gesamtklirrfaktor (Total Harmonic Distortion – THD). Eine genauere Erklärung dieser Begriffe ist im Kastentext A (Definition der Dynamik-Parameter) nachzulesen. Damit sich die entscheidenden Größen präzise messen lassen, muss das Datenerfassungssystem selbst deutlich besser sein als das gemessene Signal. Die Performance-Grenzen des Datenerfassungssystems ergeben sich durch seinen A/D-Wandler (ADC), die zugehörige Spannungsreferenz und den Treiber. Ein wirklich gelungenes System benötigt jedoch mehr als nur die richtigen Bauelemente. Damit die Designvorgaben eingehalten werden, müssen zusätzlich die passiven Bauteile korrekt ausgewählt und dimensioniert werden, denn leistungsfähige aktive Bauelemente sind zwar unerlässlich, aber keineswegs ausreichend. Bevor endgültig über Schaltplan und Layout eines Systems entschieden werden kann, ist eine Analyse des Rauschens und der Verzerrungen im System notwendig, denn nur so lässt sich die mit den gewählten Komponenten erreichbare potenzielle Performance glaubwürdig abstecken. Schrittweises Vorgehen zur Einhaltung der Designvorgaben Gefordert war die Entwicklung eines Datenerfassungssystems mit extrem niedrigem Klirrfaktor, großem Signal-Rauschabstand und den folgenden Eckdaten:

  • • Auflösung: 20 Bit • Abtastrate: 1,6 MSPS • Eingangssignal-Amplitude: ±3 V (bipolar, differenziell) • Eingangsfrequenzbereich: 0 - 20 kHz • Referenzspannung: 3 V • Analoge Versorgungsspannung des ADC: 1,8 V • Leistungsaufnahme (nur ADC): 8,4 mW bei 1,6 MSPS Die entsprechenden Performance-Vorgaben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

    Parameter Zielwert Gesamtklirrfaktor (THD) -125 dB bei 1 MSPS Störungsfreier Dynamikbereich (SFDR) 125 dB bei 1 MSPS Signal-Rauschabstand (SNR) 97,4 dB Effektive Anzahl an Bits (ENOB) 15,9 Bit DC-Systemrauschen (Peak-Peak) 150 µVP-P bei 1,6 MSPS Effektive Auflösung (DC) 17,5 Bit bei 1,6 MSPS Tabelle 1 Um diese Zielwerte zu erreichen, wurden die folgenden Bauelemente gewählt: • MAX11905, ein extrem verzerrungsarmer 20-Bit Successive-Approximation-ADC mit einer Abtastrate

    von 1,6 MSPS (Bild 1) • MAX44205, ein extrem verzerrungsarmer Treiberverstärker mit einem Verstärkungs-

    Bandbreitenprodukt (Transitfrequenz) von 180 MHz • MAX6126, eine extrem rausch- und verzerrungsarme Spannungsreferenz

    Bild 1: Blockschaltbild des 20-Bit-ADC MAX11905

    Die nächste kritische Aufgabe ist das Design eines OpAmp-Treiberverstärkers und eines RC-Tiefpasses zum Ansteuern des ADC. Zur Anpassung an die Erfassungszeit des ADC muss ein Operationsverstärker mit ausreichend hoher Transitfrequenz gewählt werden. Vom RC-Filter wird außerdem verlangt, dass es die richtige Zeitkonstante aufweist. Tabelle 2 gibt im Detail das schrittweise Vorgehen zur Ermittlung der minimalen Transitfrequenz für den Operationsverstärker sowie der R- und C-Werte für den Tiefpass wieder. OpAmp und RC-Tiefpass sind Bestandteil der Treiberschaltung.

  • BERECHNUNGSTABELLE FÜR DIE ADC-TREIBERSCHALTUNG

    SCHRITT PARAMETER EINHEIT BEMERKUNGEN WERT

    1

    Effektive Anzahl an Bits (ENOB) Bit Quelle: Datenblatt MAX11905 16

    Erfassungszeit s Bei SAR-ADCs eine Funktion der Datenrate. Quelle:

    Datenblatt MAX11905 100 x 10- 9

    CS F Sample and Hold-Kondensator des ADC. Quelle:

    Datenblatt MAX11905 32,0 x 10-12

    2

    K

    Zahl der erforderlichen Zeitkonstanten zum Einschwingen auf ENOB = 16 Bit. (Aus der

    Fachliteratur) 8,1

    τ s Verhältnis zwischen ADC-Erfassungszeit und K 12,4 x 10-9

    f-3dB Hz RC-Filterbandbreite, die die Einschwingzeit τ erfüllt. 12,9 x 106 Effektive

    Rauschbandbreite (ENBW) Hz

    Effektive Rauschbandbreite des RC-Filters (ENBW = 1,58 · f-3dB). 20,2 x 106

    3 α

    Verhältnis zwischen der Transitfrequenz des Verstärkers und der Bandbreite des RC-Filters. Empfohlen werden Werte zwischen 5 und 40.

    Vorgegeben ist ein Wert von 10. 10 Transitfrequenz des

    Treibers Hz Empfohlene Transitfrequenz des Operationsverstärkers (α · f-3dB) 128,5 x 106

    4

    Ausgangsimpedanz des Treibers Ω

    Open-Loop-Ausgangsimpedanz des Verstärkers. MAX44205-Detail 20

    RF(Tiefpass) Ω Der typische Widerstandsbereich für das Filter

    beträgt [ZO/5 bis ZO]. Vorgabewert: ZO/3 6,7

    CF(Tiefpass) F Empfohlener Kapazitätswert für Filter (τ/RF). 1,9 x 10-9

    Tabelle 2 Bei der Berechnung der erforderlichen Transitfrequenz des Operationsverstärkers und der Einschwingzeit des Tiefpasses sollte diese Reihenfolge eingehalten werden. Die grünen Werte in der Tabelle deuten an, dass der Anwender diese ADC- und Treiberspezifikationen für das Design von Treiber und Filter benötigt. Die Farbe Orange gibt an, dass ein Wert innerhalb des gewählten Bereichs verwendet werden muss. Rot sind schließlich jene Anforderungen an Treiber und Filter dargestellt, die auf den Spezifikationen des ADC beruhen. (Die darüber hinaus erforderlichen Berechnungen gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus.) Auswahl eines extrem verzerrungsarmen Treiber-Operationsverstärkers Ein sehr genaues Datenerfassungssystem erfordert einen äußerst verzerrungs- und rauscharmen Treiber- OpAmp. Da dieser Treiber die erste Stufe des Systems bildet, gelangen das hier entstehende Rauschen und sämtliche Verzerrungen bis an den ADC-Eingang. Um die Verzerrungsarmut des ADC zu erhalten, sollten die Verzerrungen des Treibers verglichen mit jenen des ADC vernachlässigbar gering sein. Der Gesamtklirrfaktor wird üblicherweise als negativer dB-Wert angegeben. Die Datenblätter der meisten differenziellen Operationsverstärker geben nur jene Verzerrungen an, die aus den Harmonischen zweiter und dritter Ordnung resultieren, da diese die wichtigste Ursache für Verzerrungen sind. Mit der folgenden Gleichung lässt sich der Gesamtklirrfaktor eines Treiber-OpAmps anhand der Leistung der einzelnen Harmonischen berechnen:

    𝑇𝐻𝐷 𝑑𝐵 = 10 ∗ log (10 /01 23 + 10

    /05 23 + ⋯+ 10

    /07 23 )

  • Mit den Werten für HD2 und HD3 erhält man den THD-Wert des Treibers. Im Fall des MAX44205 ergibt sich ein Wert von -129 dB bei einem Ausgangssignal von 2 VP-P und 10 kHz. Obwohl das Eingangssignal des Datenerfassungssystems im Bereich von 0 bis 20 kHz optimiert ist, kommt es auf die Wahl eines Operationsverstärkers mit hoher Transitfrequenz und Anstiegsgeschwindigkeit und geringer Ausgangsimpedanz an, damit die Erfassungszeit-Anforderungen des ADC erfüllt werden. Um beispielsweise einen Successive-Approximation-ADC mit einer minimalen Erfassungszeit von 100 ns bei 1,6 MSPS und einem ENOB-Wert von 16 Bit anzusteuern, muss der verwendete Treiber eine Transitfrequenz von mindestens 128,5 MHz aufweisen. Der MAX44205 erfüllt diese Vorgabe mit seiner Transitfrequenz von 180 MHz und weist zusätzlich extrem wenig Rauschen und Verzerrungen auf. Design des Tiefpassfilters Das RC-Tiefpassfilter zwischen Operationsverstärker und ADC hilft bei der Unterdrückung des ‚Kickbacks‘, der aus dem internen Abtastkondensator (CS) des ADC resultiert, und trägt auch zur Reduzierung der Rauschbandbreite des Treiber-Operationsverstärkers bei. Das Filter muss deshalb sowohl eine kurze Einschwingzeit bieten als auch die Rauschbandbreite verringern können. • Gestützt auf das in Tabelle 2 verwendete Modell lauten die berechneten CF-Werte 1,9 nF für einen

    massebezogenen (Single-Ended-) Kondensator und 0,95 nF für einen differenziellen Kondensator. Im Design kam ein differenzieller Kondensator mit 1 nF zum Einsatz. CF sollte typisch in einem Bereich von 10 × CS < CF < 100 × CS liegen.

    • Für RF wurde ein Wert von ZO/3 = 6,7 Ω berechnet. Im Design wurden 7,5 Ω verwendet. RF sollte typisch in einem Bereich von ZO/5 < RF < ZO liegen.

    Tabelle 3 fasst die Performance-Parameter mit den gewählten Bauteilen der System-Signalkette zusammen.

    Funktion Baustein SNR

    (dB) SFDR (dB)

    THD (dB)

    Transitfrequenz (MHz)

    Rauschen (nVRMS)

    Treiber- OpAmp

    MAX44205 – – -129 180 3

    ADC MAX11905 -98,3 125 -123 – –

    Referenz MAX6126 – – – – 0,2

    Tabelle 3 Versuchsplatine zur Evaluierung des Datenerfassungssystems Das Datenerfassungssystem MAX11905DIFEVKIT# wurde für dieses Experiment entworfen und eingesetzt. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild mit den Werten der