JPY | USD

アンプ統合モジュールを使って高速ADC設計の「不透明な魔法」を取り除く

著者 Bonnie Baker(ボニー・ベイカー)氏

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

データ収集、ハードウェアインザループ(HiL)、パワーアナライザなどのシステム設計者は、多くの場合最大15メガサンプル/秒(MSPS)という非常に高いサンプルレートで、高分解能と高精度を実現できるアナログ信号変換チェーンを必要とします。しかし、高速アナログ設計は、多くの設計者にとって「不透明な魔法」のように見えることがあります。特に、信号の完全性に影響を与える一連の隠れた寄生成分に直面したときなどです。

例えば、一般的な設計では、完全差動増幅器(FDA)、1次ローパスフィルタ(LPF)、電圧リファレンス、高速・高解像度のアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)など、複数のICやコンポーネントを含むディスクリート構成となっています。寄生容量と寄生抵抗は、ADCドライバアンプ(FDA)、ADC入力フィルタ、およびADCの内部と周辺に存在します。

このような寄生成分の影響を排除、低減、軽減することは困難です。高度な技術を必要とし、回路設計サイクルやプリント基板レイアウトの繰り返しが多くなり、設計スケジュールや予算に悪影響を与える恐れがあります。求められているのは、設計上のこのような問題の多くを解決する、より完全で統合されたソリューションです。

この記事では、ディスクリートのデータ収集回路とそれに関連するレイアウトの問題を説明した上で、フロントエンドFDAを備えた高分解能・高速の逐次比較レジスタ(SAR)ADCを含む統合モジュールを紹介します。また、Analog DevicesADAQ23875完全モジュールとそれに関連する開発ボードにより、必要とされる高分解能・高速の変換結果を実現しながら、設計プロセスを簡素化および加速することで、高速設計の悩みを克服する方法を紹介します。

高速データ収集の信号経路

高性能ADCでは、差動入力を採用し、入力信号のバランスをとってコモンモードノイズと干渉を排除することで、総合的な性能を向上させています。アナログADCドライバは、アナログADCドライバとADCの入力が完全差動である場合に、最適な性能を発揮します(図1)。低電圧差動信号(LVDS)シリアルインターフェース(右)の採用により、データ収集、HiL、パワーアナライザなどのアプリケーションに対応した超高速動作を実現しています。

フロントエンドFDAを備えた高周波データ収集システムの図図1:フロントエンドFDA、1次アナログフィルター、高速LVDSシリアルインターフェースを備えた差動入力SAR-ADCを搭載した高周波データ収集システム。(画像提供:ボニー・ベイカー氏)

図1の構成は、振幅スケーリング、シングルエンドから差動への変換、バッファリング、コモンモードオフセットの調整、フィルタリングなど、多くの重要な機能を担っています。

FDAドライバのテクノロジー

FDA電圧帰還型ADCドライバの動作は、2つの違いを除いて従来のアンプと同様です。まず、FDAはマイナス出力端子(VON)を追加した差動出力を採用しています。次に、出力コモンモード電圧を設定する入力端子(VOCM)が追加されています(図2)。

2つの入力を持ちフィードバックループと電圧制御を備えているFDAの図図2:FDAには2つの入力があり、フィードバックループと出力コモンモード電圧の電圧制御(VOCM)を備えています。この構成により、独立した差動入力(VIN, dm)と差動出力(VOUT, dm)の電圧が形成されます。(画像提供:Analog Devices)

FDAの内部には3つのアンプがあり、2つが入力段、3つ目が出力段として機能します。2つの内部入力アンプのネガティブフィードバック(RF1、RF2)と高オープンループゲインにより、入力端子VA+とVA-の動作はほぼ等しくなります。FDAは、シングルエンド出力の代わりに、VOPとVONの間でバランスのとれた差動出力を生成し、コモンモード電圧はVOCMとなります。

差動入力信号(VIPとVIN)は、平衡入力信号のコモンモード基準電圧(VIN, cm)を中心に、振幅が等しく、位相が逆になっています。式1と式2は、差動モード入力電圧(VIN, dm)とコモンモード入力電圧(VIN, cm)の計算方法を示しています。

式1 式1

式2 式2

式3と式4は、出力の差動モードとコモンモードの定義を示しています。

式3 式3

式4 式4

式4では、VOCMの追加に注意してください。

一般的なアンプ回路と同様に、FDAシステムのゲインはRGxとRFxの値に依存します。式5と式6は、FDAの2つの入力帰還率、β1とβ2を定義しています。

式5式5

式6式6

β1がβ2に等しいとき、式7はFDAの理想的な閉ループゲインを与えます。

式7式7

VOUT, dmにより、抵抗のミスマッチの性能を知ることができます。VOUT, dmの一般的な閉ループ式には、VIP、VIN、β1、β2、VOCMが含まれます。式8は、アンプのオープンループ電圧ゲインをA(s)として示したVOUT, dmの式です。

式8式8

β1≠β2の場合、差動出力電圧(VOUT, dm)の誤差は主に、VOCMに依存します。この望ましくない結果により、差動出力にオフセットと過剰なノイズが発生します。β1=β2≡βの場合、式8は式9になります。

式9式9

出力のバランス成分としては、振幅と位相の2つがあります。振幅バランスとは、2つの出力振幅が一致しているかどうかを示すもので、完全に一致していることが理想です。位相バランスは、2つの出力間の位相差の近さを示し、180°になることが理想です。

FDAの安定性に関する考慮事項は、標準的なオペアンプと同じです。重要な仕様は位相余裕です。製品のデータシートには、特定のアンプ構成の位相余裕が記載されていますが、プリント基板レイアウトの寄生効果によって安定性が大きく損なわれることがあります。負の電圧フィードバックアンプの場合、安定性はそのループゲイン、A(s) x β、符号、大きさに依存するという、非常に単純なものです。それに対して、FDAには2つの帰還率があります。式8と式9では、分母にループゲインがあります。式10は、帰還率が一致しない場合(β1≠β2)のループゲインを表しています。

式10式10

上記のエラーすべてを軽減するには、ディスクリート抵抗RG1、RG2、RF1、RF2を使った面倒で高価なマッチング処理が必要です。

FDAとADCの複合性能

FDA、ディスクリート抵抗、1次フィルタ、ADCの組み合わせは、回路全体の精度や分解能におけるFDAの性能特性に加えて、SNR(信号対雑音比)、THD(全高調波歪み)、SINAD(信号対雑音歪み)、SFDR(スプリアスフリーダイナミックレンジ)を物語っています。複合された仕様には、SNR、THD、SINAD、SFDRが含まれます。FDAには、帯域幅、出力電圧ノイズ、歪み、安定性、セトリング時間など、これらの周波数仕様に影響を与える仕様が数多くあり、それらはすべてADCの性能に影響を与えます。ADCには独自の仕様があります。大きな課題は、ADCに合わせて適切なFDAを選択することです。

基板レイアウト

プリント基板のレイアウトは、設計プロセスの最終段階です。残念なことに、レイアウトは見落とされがちな設計ステップであり、結果として劣悪な基板設計となり、回路が損なわれたり、使い物にならなくなったりすることがあります。この完全なディスクリート回路は、3つの集積回路、6つの抵抗、そして複数のデカップリングコンデンサを備えています(図3)。

電源デカップリングコンデンサを用いた1次LPFを備えたFDAおよびSAR-ADCの図図3:電源デカップリング・コンデンサを用いた1次LPFを搭載したFDAとSAR-ADC。(画像提供:Analog Devices)

図3では、高速回路の性能を損なう寄生成分として、プリント基板の寄生容量と寄生インダクタンスが挙げられています。部品のパッド、トレース、ビア、グランド、並びに電源プレーンが原因です。これらの静電容量やインダクタンスは、特にアンプのサミングノードで危険であり、フィードバック応答に極やゼロをもたらし、ピーキングや不安定性の原因となります。

統合型ソリューション

SARコンバータは、FDA、重要な受動部品、1次フィルタ、電圧リファレンス、デカップリングコンデンサを提供し、実効的な分解能を高めることができます。たとえば、Analog DevicesのADAQ23875は、これらの要素をすべて備えた16ビット、15MSPSのデータ収集モジュールです(図4)。このように、部品の選択、最適化、レイアウトなどの設計負荷を設計者から集積回路に移すことにより、精密測定システムの開発サイクルを短縮することができます。

高速ADCの設計を容易にするAnalog DevicesのADAQ23875の図(クリックして拡大)図4: ADAQ23875 は、FDA、1次フィルタ、SAR-ADCを1つのモジュールにまとめ、FDA周辺のレーザートリミングされたゲイン抵抗とオンチップデカップリングコンデンサでサポートする ことで、高速ADCの設計を簡素化し ます。(画像提供:Analog Devices)

この受動オンチップ抵抗部品は、優れたマッチング特性とドリフト特性を持ち、寄生に依存する誤差要因を最小限に抑え、β1とβ2のマッチングを最適化します。これらのループゲインのマッチングは、モジュールの±1mVのオフセットと91.6μVの二乗平均平方根(μVRMS)のトータルRMSノイズ仕様の実現に役立ちます。

バンドギャップ2.048Vの基準電源は、FDAと16ビットADCシステムをサポートするために、低ノイズと低ドリフト(20ppm/°C)を実現しています。FDAとの連携により、これらの仕様はSAR-ADCの90dBのSNR精度と±1ppm/°Cのゲインドリフトをもたらします。FDAのVOCMピンは、リファレンスの2.048ボルトを使用して、出力コモンモード電圧を提供します。

内部リファレンスバッファにより、2.048ボルトのリファレンスは2倍にゲインされ、ADCの基準電圧は4.096ボルトになります。ADCのリファレンスとGNDの間の電圧差により、ADAQ23875のSAR-ADCのフルスケール入力範囲が決定されます。また、ADAQ23875はリファレンスバッファとGNDの間に10μFのデカップリングコンデンサを内蔵しているため、SAR-ADCのリファレンス変換の電荷スパイクを吸収し、ディスクリート設計のレイアウト制限が緩和されます。

図4に示すように、FDAの入力コモンモード電圧は、FDAの出力コモンモード電圧に依存しません。例1から3において、電源電圧は以下のとおりです。

VS+ = 7ボルト (FDAの正電源電圧)

VS- = -2ボルト (FDAの負電源電圧)

VDD = +5ボルト (ADCの電源電圧)

VIO = 2.5ボルト(アナログおよびデジタル出力電源)

例1では、入力電圧範囲が±1.024ボルト、入力コモンモード電圧が-1ボルトとなっています。FDAはこれらの信号に2ボルト/ボルトのゲインをかけ、FDAレベルはVCMOでの値、つまり2.048ボルト分だけ出力電圧をシフトさせます。このプロセスでは、FDAの出力において、VCMOからのコモンモード電圧が2.48ボルトで、±2.048ボルトの信号範囲を示します。1次フィルターのコーナー周波数は、1/(2pR x C)ヘルツ(Hz)または~78メガヘルツ(MHz)です。ADCへの信号入力範囲は±2.048ボルトで、コモンモード電圧は+2.048ボルトです。

ADAQ23875は、1レーンまたは2レーンの出力モードを搭載したLVDSデジタルインターフェースを備えており、ユーザーは各アプリケーションのインターフェースデータレートを最適化できます。インターフェースのデジタル電源はVIOです。

ADAQ23875は、内部ADCコア電源(VDD)、デジタル入出力インターフェース電源(VIO)、FDA正電源(VS+)、負電源(VS-)という4つの電源を備えています。プリント基板レイアウトの問題を軽減するため、すべての電源ピンに0.1mFまたは0.2mFのデカップリングコンデンサを内蔵しています。LDOレギュレータの出力には、プリント基板上に高品質な2.2μF(0402、X5R)のセラミックデカップリングコンデンサを配置する必要があります。これらのレギュレータは、μModuleの電源レール(VDD、VIO、VS+、VS-)を生成し、電磁妨害(EMI)の影響を最小限に抑え、電源ラインのグリッチへの影響を低減します。必要なその他のデカップリングコンデンサはすべてADAQ23875内に収められているため、サブシステム全体の電源電圧変動除去比(PSRR)を向上させ、余分な基板スペースとコストを削減することができます。内部リファレンスおよび内部リファレンスバッファを使用する場合は、0.1μFのセラミックコンデンサでREFINピンをGNDにデカップリングしてください。

ADAQ23875モジュールは、ADCに適切なFDAと抵抗ネットワークを選択するという問題を解消しながら、高い性能とSNR、THD、SINAD、SFDRに対する厳しい仕様(それぞれ89.5dB、-115.8dB、89dB、114.3dB)も確保しています(図5)。通常、一連のシステム仕様は、設計者が実行することになっています。ADAQ23875のシステムアプローチは、設計者がこれらの仕様をより効率的に実現するのに役立ちます。

SNR、THD、SINAD、SFDRの仕様を作成するAnalog DevicesのADAQ23875モジュールの画像図5:ADAQ23875モジュールは、オンチップのFDA、1次フィルタ、SAR-ADCを通過するSNR、THD、SINAD、SFDRの仕様を作成します。(画像提供:Analog Devices)

図5は、ADAQ23875に1kHzの差動信号を入力したときのSNR、THD、SINAD、SFDRのテスト結果です。特定のアプリケーション向けに、ADAQ23875用のEVAL-ADAQ23875FMCZボードには、デバイスプログラミング、波形、ヒストグラム、FFTキャプチャなどによるデバイス評価を支援するソフトウェアが搭載されています。設計者は、この評価ボードをADIのシステムデモンストレーションプラットフォームEVAL-SDP-CH1Zに接続して電源を供給し、SDP-CH1ZのUSBポートを介してPCから評価ボードを制御することができます(図6)。

Analog DevicesのADAQ23875FMCZボードとEVAL-SDP-CH1Zボードの接続図(クリックして拡大)図6:システムデモンストレーションプラットフォーム(EVAL-SDP-CH1Z)ボード(右)に接続されたADAQ23875FMCZ評価ボード(左)。これにより、PCのUSBポートを通じて評価ボードを制御することができます。(画像提供:Analog Devices)

評価ボードのソフトウェアであるACE plugin for Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21]ACE Installer Software 1.21.2994.1347 [Feb 08 21]を使って、各チャンネルのオーバーサンプル値、入力範囲、サンプル数、アクティブチャンネルの選択などを設定することができます。また、このソフトウェアでは、テストデータのファイルを保存したり、開いたりすることも可能です。

結論

ADAQ23875は、設計者が高速アナログ設計の課題を克服し、最高のデータ収集性能を実現するためのモジュールです。これは、FDA、1次ローパスフィルター、SAR-ADC、そして、励起信号を増幅して適切な駆動信号を供給するデカップリングコンデンサーのアレイ、さらには、二次信号のフィルタリングとフィードバックを含む、完全な高速変換システムです。ADAQ23875データ収集システムモジュールは高度に統合されたモジュールであり、高速データ収集、ハードウェアインザループ(HiL)、パワーアナライザに対応したFDAからSAR-ADCを備えた包括的ソリューションによって、アナログ設計の「不透明な魔法」を排除します。

免責条項:このウェブサイト上で、さまざまな著者および/またはフォーラム参加者によって表明された意見、信念や視点は、Digi-Key Electronicsの意見、信念および視点またはDigi-Key Electronicsの公式な方針を必ずしも反映するものではありません。

著者について

Bonnie Baker(ボニー・ベイカー)氏

Bonnie Baker氏は、アナログ、ミックスドシグナル、シグナルチェーンの経験豊富な専門家であり、電子技術者です。Baker氏は、業界の出版物で技術記事、EDNコラム、製品特集など、数百本の署名記事や著書を執筆してきました。『A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers』(ベイカーの12の教え:デジタル設計者のためのリアルアナログソリューション)を執筆し、他にも数冊の書籍を共著する傍ら、Burr-Brown、Microchip Technology、Texas Instruments、Maxim Integratedで設計者、モデリングエンジニア、戦略マーケティングエンジニアとして働いてきました。Baker氏は、アリゾナ大学ツーソン校で電気工学の修士号を取得し、北アリゾナ大学(アリゾナ州フラッグスタッフ在)で音楽教育の学士号を取得しています。彼女はまた、ADC、DAC、オペアンプ、計装アンプ、SPICE、IBISモデリングなど、様々なエンジニアリングトピックに関するオンラインコースの企画・執筆・発表に携わってきました。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者