透過帶有整合式放大器的模組，破解高速 ADC 設計的「黑魔法」

在設計數據採集、硬體迴路 (HiL) 和功率分析儀等系統時，設計人員需要一種類比訊號轉換器鏈，其能在超高取樣率下 (經常高達 15 MSPS) 達到高解析度和高準確度。不過，高速類比設計對於許多設計人員來說彷彿「黑魔法」一般，尤其是面對一連串會影響訊號完整性的隱藏寄生效應時。

例如，典型設計為離散式且內含幾個 IC 與元件，包括全差動放大器 (FDA)、一階低通濾波器 (LPF)、參考電壓，以及高速高解析度的類比數位轉換器 (ADC)。電容式和電阻式寄生元件位於 ADC 驅動器放大器 (FDA)、ADC 輸入濾波器及 ADC 的內部和周圍。

要消除、降低或減緩這些寄生元件的影響其實有所難度。需要高超的技巧，而且可能需經過許多電路設計循環和電路板佈局迭代，因此會影響設計時程和預算。設計人員需要更完整、整合度更高的解決方案，以解決諸多設計問題。

本文將說明離散式數據採集電路及相關的佈局問題，然後介紹一種整合式模組，其含有高速高解析度的連續漸近暫存器 (SAR) ADC，並搭配前端 FDA。本文將展示 Analog Devices 的 ADAQ23875 完整模組及其相關開發板，如何透過設計流程的簡化與加速，來克服高速設計的難題，同時還可達到所需的高速高解析度轉換結果。

高速數據採集訊號路徑

高效能 ADC 使用差動輸入來改善整體效能，能平衡輸入訊號，並拒斥共模雜訊與干擾。當類比 ADC 驅動器和 ADC 的輸入為全差動時，類比 ADC 驅動器能達到最佳效能 (圖 1)。採用低電壓差動訊號 (LVDS) 序列介面 (右) ，就可讓系統極快速運行，以因應數據採集、HiL 及功率分析儀應用。

圖 1：高頻數據採集系統搭配前端 FDA、一階類比濾波器，以及採用高速 LVDS 序列介面的差動輸入 SAR-ADC。(圖片來源：Bonnie Baker)

圖 1 中的配置可執行許多重要功能，包括振幅放大、單端對差動轉換、緩衝、共模偏移調整，以及濾波。

FDA 驅動器技術

FDA 電壓回授 ADC 驅動器的運算與傳統放大器相似，但有兩個差別。第一，FDA 具有差動輸出，以及額外的負輸出端子 (V_ON)。第二，FDA 多了一個輸入端子 (V_OCM)，可設定輸出共模電壓 (圖 2)。

圖 2：FDA 具有兩個輸入及回授迴路和電壓控制 (V_OCM)，可控制輸出共模電壓。此配置會產生獨立的差動輸入 (V_{IN, dm}) 和差動輸出 (V_{OUT, dm}) 電壓。(圖片來源：Analog Devices)

FDA 內含三個放大器：兩個位於輸入端，第三個當作輸出級。兩個內部輸入放大器具有負回授 (R_F1、R_F2) 和高開迴路增益，使得 VA+和 VA– 這兩個輸入端子的行為幾乎一樣。FDA 會在 V_OP 和 V_ON 之間產生平衡的差動輸出，而不是單端輸出，且共模電壓為 V_OCM。

差動輸入訊號 (V_IP 和 V_IN) 的振幅相等，在共模參考電壓 (V_{IN, cm}) 附近的相位則相反，並有平衡的輸入訊號。方程式 1 和 2 顯示如何計算差模輸入電壓 (V_{IN, dm})，以及共模輸入電壓 (V_{IN, cm})。

方程式 1

方程式 2

方程式 3 和 4 提供輸出差動與共模定義。

方程式 3

方程式 4

請注意，方程式 4 中多了 V_OCM。

和典型的放大器電路一樣，FDA 系統的增益也取決於 R_Gx 和 R_Fx 值。方程式 5 和 6 則為 FDA 定義兩個輸入回授因數，即 β₁ 和 β₂。

方程式 5

方程式 6

當 β₁ 等於 β₂ 時，方程式 7 便為 FDA 提供理想的閉迴路增益。

方程式 7

V_{OUT, dm} 可進一步瞭解電阻不匹配時的表現。對於 V_{OUT, dm}，一般閉迴路方程式包含 V_IP、V_IN、β₁、β₂ 及 V_OCM。方程式 8 顯示 V_{OUT, dm} 的公式，放大器的開迴路電壓增益顯示為 A(s)。

方程式 8

當 β₁ ≠ β₂ 時，差動輸出電壓 (V_{OUT, dm}) 的誤差主要取決於 V_OCM。此不樂見的結果會在差動輸出中產生偏移和過多雜訊。如果 β₁ = β₂ ≡ β，方程式 8 則變成方程式 9。

方程式 9

兩個輸出平衡元素為振幅和相位。振幅平衡會衡量兩個輸出振幅是否相符；理想情況下，會完全相符。相位平衡會衡量兩個輸出的相位差有多接近理想數值 180°。

FDA 在穩定性的考量上與標準運算放大器相同。主要規格是相位容限。雖然產品規格書提供特定放大器配置的相位容限，但電路板佈局的寄生效應可能會大幅降低穩定性。在負電壓回授式放大器中，此現象相當簡潔易懂：穩定性取決於迴路增益、A(s) × β、訊號和強度。相比之下，FDA 有兩個回授因數。方程式 8 和 9 的分母中有迴路增益。方程式 10 說明回授因數不符 (β1 ≠ β2) 時的迴路增益。

方程式 10

要減緩以上所有誤差，需將離散電阻 R_G1、R_G2、R_F1 及 R_F2 進行匹配，但此過程乏味冗長且所費不貲。

FDA 和 ADC 的綜合效能表現

FDA、離散電阻、一階濾波器和 ADC 的組合，可說明訊噪比 (SNR)、總諧波失真 (THD)、訊噪比和失真 (SINAD)，以及無突波動態範圍 (SFDR) 的相關資訊；這些都屬於 FDA 效能特性的因素，會影響整體電路準確度和解析度。綜合規格包括 SNR、THD、SINAD 及 SFDR。FDA 的許多規格都會影響這些頻率規格，例如頻寬、輸出電壓雜訊、失真、穩定性與趨穩時間，而這些都會影響 ADC 的效能。ADC 本身便有一組規格。如何選擇適當的 FDA 來匹配 ADC，是一大挑戰。

電路板佈局

電路板佈局是設計流程的最後一步。然而，設計時可能會忽略掉此步驟，造成板件設計不良，進而損及電路或導致電路失效。這個完整的離散電路包含三個積體電路、六個電阻，以及多個解耦電容 (圖 3)。

圖 3：FDA 和 SAR-ADC 搭配一階 LPF 和電源供應器解耦電容。(圖片來源：Analog Devices)

在圖 3 中，電路板的寄生電容量和電感是會逐漸損害高速電路效能的寄生元件。元件墊片、走線、通孔，以及和電源層並聯的接地，正是元兇。在放大器的匯集節點處，這些電容量和電感特別危險，其在回授響應中引入極點和零點，會造成峰化與不穩定性。

整合式解決方案

SAR 轉換器能提供 FDA、重要被動元件、一階濾波器、參考電壓及解耦電容，以增強有效解析度。以 Analog Devices 的 ADAQ23875 為例，此 16 位元、15 MSPS 的數據採集模組就包含所有這些元件 (圖 4)。因此，此模組可縮短精確測量系統的開發週期，其原本設計人員負責的元件挑選、最佳化和佈局工作，轉移到積體電路。

圖 4：ADAQ23875 可簡化高速 ADC 的設計，方法是將 FDA、一階濾波器和 SAR-ADC 結合到單一模組上，並由 FDA 附近的雷射修整式增益電阻，以及晶片上解耦電容支援此模組。(圖片來源：Analog Devices)

晶片上的電阻式被動元件具有絕佳的匹配及漂移特性，能將寄生相關的誤差來源降至最低，並提供最佳化的效能，確保 β₁ 逼近 β₂。這些迴路增益匹配後，有助於產生模組的 ±1 mV 偏移電壓與 91.6 µV_RMS 總 RMS 雜訊規格。

能隙 2.048 V 參考電壓具有低雜訊與低漂移 (20 ppm/°C)，可支援 FDA 和 16 位元 ADC 系統。這些規格和 FDA 一同促成 SAR-ADC 90 dB SNR 的準確度，以及 ±1 ppm/°C 的增益漂移。FDA 的 V_OCM 引腳利用參考電壓 2.048 V，來提供輸出共模電壓。

內部參考緩衝將 2.048 V 參考電壓乘以 2，為 ADC 參考電壓產生 4.096 V 電壓值。ADC 參考電壓和 GND 之間的電壓差，會決定 ADAQ23875 的 SAR-ADC 滿量程輸入範圍。而且，ADAQ23875 在參考緩衝和 GND 之間具有晶片上 10 μF 解耦電容，可吸收 SAR-ADC 參考轉換電荷尖波，並緩解離散設計佈局的限制。

如圖 4 所示，FDA 的輸入共模電壓不會受到 FDA 輸出共模電壓的影響。在範例 1 至 3 中，電源供應器的電壓為：

VS+ = 7 V (FDA 正電源電壓)

VS- = -2 V (FDA 負電源電壓)

VDD = +5 V (ADC 電源電壓)

VIO = 2.5 V (類比和數位輸出電源供應器)

範例 1 顯示輸入電壓範圍 ±1.024 V，以及輸入共模電壓 -1 V。FDA 將 2 V/V 增益施加至這些訊號，而 FDA 位準以 V_CMO 處的數值 (即 2.048 V)，將輸出電壓進行移位。此過程呈現的訊號範圍為 ±2.048 V，而在 FDA 的輸出端，V_CMO 的共模電壓為 2.48 V。一階濾波器角頻率為 1/(2pR x C) Hz (大約 78 MHz)。ADC 的訊號輸入範圍為 ±2.048 V，共模電壓為 +2.048 V。

ADAQ23875 具有 LVDS 數位介面，提供單通道或雙通道輸出模式，能讓使用者在各個應用達到最佳化介面數據傳輸率。此介面使用 VIO 作為數位電源供應器。

ADAQ23875 具有四個電源供應器，即內部 ADC 核心電源 (VDD)、數位輸入／輸出介面電源 (VIO)、FDA 正電源 (VS+)，以及負電源 (VS−)。為了緩解電路板佈局問題，所有電源引腳都有 0.1 mF 或 0.2 mF 晶片上解耦電容。務必在 LDO 穩壓器輸出端的電路板上，放置優質的 2.2 μF (0402，X5R) 陶瓷解耦電容。這些穩壓器會產生 μModule 電軌 (VDD、VIO、VS+ 及 VS-)，以將電磁干擾 (EMI) 易感性減至最低，並減少對電源線突波的影響。其他所有必要的解耦電容都在 ADAQ23875 中，能提高整體子系統電源拒斥比 (PSRR)，並節省額外的板件空間與成本。若要使用內部參考和內部參考緩衝，就要利用 0.1 μF 陶瓷電容對 REFIN 引腳至 GND 進行解耦。

使用 ADAQ23875 模組，就不用煩惱如何挑選適合 ADC 的 FDA 和電阻式網路，同時仍可確保高效能和嚴格的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 規格 (分別為 89.5 dB、-115.8 dB、89 dB 和 114.3 dB) (圖 5)。通常，系統規格是由設計人員自行收集。ADAQ23875 的系統作法能幫助設計人員更有效率地達到這些規格。

圖 5：ADAQ23875 模組產生 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 規格，這些規格會通過晶片上 FDA、一階濾波器及 SAR-ADC。(圖片來源：Analog Devices)

圖 5 指出 1 kHz 差動輸入訊號進入 ADAQ23875 後所得到的 SNR、THD、SINAD 及 SFDR 測試結果。在指定應用中，ADAQ23875 的 EVAL-ADAQ23875FMCZ 板具有軟體，可協助進行裝置評估，包括裝置編程、波形、直方圖與 FFT 擷取功能。設計人員能將評估板連接至 ADI 的 EVAL-SDP-CH1Z 系統展示平台接電，即可用電腦透過 SDP-CH1Z 的 USB 連接埠來控制評估板 (圖 6)。

圖 6：ADAQ23875FMCZ 評估板 (左) 連接到系統展示平台 (EVAL-SDP-CH1Z) 板 (右)，即可透過電腦的 USB 連接埠控制評估板。(圖片來源：Analog Devices)

此評估板的軟體 ADAQ23875 1.2021.8300 板 ACE 外掛程式 [2021 年 2 月 18 日] 和 ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [2021 年 2 月 8 日]，能讓使用者配置每個通道的超取樣值、輸入範圍、樣本數，以及作用中通道的選擇。此外，此軟體亦可儲存及開啟測試資料檔。

結論

要克服高速類比設計的難題，並提供最佳的整體數據採集效能，設計人員可採用 ADAQ23875 模組。這是一個完整的高速轉換系統，其中包括 FDA、一階低通濾波器、SAR-ADC，和多種解耦電容，能放大激磁訊號並提供適當的驅動訊號，以及二次訊號的濾波與回授能力。ADAQ23875 數據採集系統模組是高度整合的模組，能破解設計的類比「黑魔法」，提供一個結合 FDA 與 SAR-ADC 的完整解決方案，適用於高速數據採集、硬體迴路 (HiL) 及功率分析儀。