問題:
如何為ADC增加隔離而不損害其性能?
答案:
對于隔離式高性能ADC,一方面要注意隔離時鐘,另一方面要注意隔離電源。
SAR ADC傳統(tǒng)上被用于較低采樣速率和較低分辨率的應(yīng)用。如今已有1 MSPS采樣速率的快速、高精度、20位SAR ADC,例如LTC2378-20 ,以及具有32位分辨率的過采樣SAR ADC,例如LTC2500-32。將ADC用于高性能設(shè)計時,整個信號鏈都需要非常低的噪聲。當(dāng)信號鏈需要額外的隔離時,性能會受到影響。
關(guān)于隔離,有三方面需要考慮:
? 確保熱端有電的隔離電源
? 確保數(shù)據(jù)路徑得到隔離的隔離數(shù)據(jù)
? ADC(采樣時鐘或轉(zhuǎn)換信號)的時鐘隔離,以防熱端不產(chǎn)生時鐘
隔離電源(反激拓撲與推挽拓撲的比較)
對于傳感器應(yīng)用,隔離電源通常在10 W以下范圍內(nèi)。
反激式轉(zhuǎn)換器被廣泛用于隔離電源。圖1顯示了反激式轉(zhuǎn)換器簡單可行的特點。該拓撲的優(yōu)勢是只需要很少的外部元件。反激式轉(zhuǎn)換器只有一個集成開關(guān)。該開關(guān)可能是影響信號鏈性能的主噪聲源。對于高性能模擬設(shè)計,反激式轉(zhuǎn)換器會帶來很多斷點,引起電磁輻射(稱為EMI),這可能會限制電路的性能。
圖1.典型的反激式轉(zhuǎn)換器拓撲
圖2顯示了變壓器L1和L2中的電流。在初級(L1)和次級(L2)繞組中,電流在短時間內(nèi)從高值跳變?yōu)榱?。電流尖峰可以在圖3的I(L1)/I(L2)跡線中看到。電流和能量在初級電感中累積,當(dāng)開關(guān)斷開時,它們被傳輸?shù)酱渭夒姼校a(chǎn)生瞬變。需要降低開關(guān)噪聲效應(yīng)導(dǎo)致的瞬變,因此,設(shè)計中必須插入緩沖器和濾波器。除了額外的濾波器之外,反激拓撲的另一個缺點是磁性材料的利用率低,而所需的電感較高,因此變壓器較大。此外,反激式轉(zhuǎn)換器的熱環(huán)路也很大,不易管理。有關(guān)熱環(huán)路的背景信息,請參閱應(yīng)用筆記AN139。
反激式轉(zhuǎn)換器的另一個挑戰(zhàn)涉及開關(guān)頻率變化。圖3顯示了負載變化引起的頻率變化。如圖3a所示,t1 < t2。這意味著fSWITCH隨著負載電流從較高負載電流I1減小到較低負載電流I2而變化。頻率的變化會在不可預(yù)測的時間產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。此外,頻率也會因器件不同而異,這使得更難以對其進行濾波,因為每個PCB都需要調(diào)整濾波。對于一款5 V輸入范圍的20位SAR ADC,1 LSB相當(dāng)于大約5μV。EMI噪聲引入的誤差應(yīng)低于5μV,這意味著為精密系統(tǒng)隔離電源時,不應(yīng)選擇反激拓撲。
還有其他電磁輻射騷擾較低的隔離電源架構(gòu)。就輻射而言,推挽式轉(zhuǎn)換器比反激式轉(zhuǎn)換器更合適。像LT3999這樣的推挽式穩(wěn)壓器提供了與ADC時鐘同步的可能性,有助于實現(xiàn)高性能。圖4顯示了隔離電源電路中的LT3999與ADC采樣時鐘同步的情況。請記住,初級到次級電容為開關(guān)噪聲提供了一個避免共模噪聲效應(yīng)的返回路徑。該電容可以在PCB設(shè)計中利用重疊的頂層平面和第二層平面實現(xiàn),以及/或者利用實際電容實現(xiàn)。
圖2.LT8301在變壓器繞組中切換電流
圖3.(a) LT8301頻率變化,(b)從2.13 ms到2.23 ms的頻率變化的特寫
圖4.具有超低噪聲后置穩(wěn)壓器的LT3999
圖5.LT3999電流波形
圖6.LT3999及其與同步引腳的切換關(guān)系
圖5顯示了變壓器處的電流波形(初級側(cè)和次級側(cè)電流),它更好地利用了變壓器,提供更好的EMI行為。
圖6顯示了與外部時鐘信號的同步。采集階段的末端與同步引腳的正邊沿對齊。因此,將有一個大約4μs的較長安靜時間。這使得轉(zhuǎn)換器可以在該時間范圍內(nèi)對輸入信號進行采樣,并將隔離電源的瞬變效應(yīng)降至最小。LTC2378-20的采集時間為312 ns,非常適合<1μs的安靜窗口。
數(shù)據(jù)隔離
數(shù)據(jù)隔離可以使用數(shù)字隔離器實現(xiàn),例如ADuMx系列數(shù)字隔離器。這些數(shù)字隔離器可用于SPI、I2C、CAN等許多標(biāo)準(zhǔn)接口,例如ADuM140 可用于SPI隔離。 為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離,只需將SPI信號SPI時鐘、SDO、SCK和Busy連接到數(shù)據(jù)隔離器。在數(shù)據(jù)隔離中,電能通過感性隔離柵從初級側(cè)傳輸?shù)酱渭墏?cè)。需要添加電流返回路徑,這由電容來完成。該電容可以在PCB中利用重疊平面實現(xiàn)。
時鐘隔離
時鐘隔離是另一項重要任務(wù)。如果使用1 MHz采樣速率的20位高性能ADC,例如LTC2378-20,可以實現(xiàn)104 dB的信噪比(SNR)。為了實現(xiàn)高性能,需要無抖動時鐘。為什么不應(yīng)使用像ADuM14x系列這樣的標(biāo)準(zhǔn)隔離器?標(biāo)準(zhǔn)隔離器會增加時鐘抖動,從而限制ADC的性能。更多詳細信息請參見設(shè)計筆記DN1013。
圖7顯示了不同頻率、不同類型時鐘抖動下SNR的理論極限。像LTC2378這樣的高性能ADC的孔徑時鐘抖動為4 ps,在200 kHz輸入下理論限值為106 dB。
圖7.時鐘抖動與ADC性能的關(guān)系
圖8.使用標(biāo)準(zhǔn)隔離器實現(xiàn)時鐘隔離
圖8顯示的標(biāo)準(zhǔn)時鐘隔離器概念包括:
? 像ADuM250N這樣良好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器的抖動為70 ps rms。對于100 dB SNR目標(biāo),由于時鐘抖動,信號采樣速率限制為20 kHz。
? 像LTM2893這樣優(yōu)化的時鐘隔離器提供30 ps rms的低抖動。對于100 dB SNR目標(biāo),現(xiàn)在的信號采樣速率為50 kHz,在全部SNR性能下可提供更多帶寬。
圖9.使用LVDS時鐘隔離器實現(xiàn)時鐘隔離
? 圖9:對于更高的輸入頻率,應(yīng)使用LVDS隔離器。ADN4654提供2.6 ps抖動,接近ADC的最佳性能。在100 kHz輸入時,時鐘抖動導(dǎo)致的SNR限值將是110 dB。
圖10.使用額外PLL凈化時鐘抖動的時鐘隔離
? 圖10:使用PLL凈化時鐘。 ADF4360-9可以幫助減少時鐘抖動。
圖11顯示了使用PLL凈化時鐘的更詳細框圖。您可以將ADF4360-9用作時鐘凈化器,并在輸出端增加一個2分頻器。AD7760額定支持1.1 MHz。
圖11.ADF4360-9用作時鐘凈化器
因此,不能直接支持LTC2378等1 MSPS SAR ADC。在這種情況下,低抖動觸發(fā)器會有幫助。它將時鐘2分頻。
圖12.觸發(fā)器用于降低時鐘以用于LTC2378
圖13.隔離(熱)側(cè)的時鐘產(chǎn)生
? 圖13:本地產(chǎn)生時鐘是獲得具有所需抖動性能的時鐘的另一個方案。本地時鐘生成會使時鐘架構(gòu)更加復(fù)雜,因為它將異步時鐘域引入系統(tǒng)。例如,若要使用兩個單獨的隔離ADC,則時鐘的絕對頻率將會不同,必須增加采樣速率轉(zhuǎn)換以重新匹配時鐘。有關(guān)采樣速率轉(zhuǎn)換的一些細節(jié),請參閱工程師對話筆記EE-268。
高性能Sigma-Delta ADC的時鐘
時鐘的類似問題也適用于高性能Sigma-Delta ADC,如AD7760。這里,重要的時鐘信號是無抖動過采樣時鐘,例如40 MHz。這種情況下不需要額外的分頻器。
結(jié)論
隔離式高性能ADC需要仔細設(shè)計隔離方案并選擇隔離技術(shù),以實現(xiàn)高于100 dB的高性能SNR。應(yīng)特別重視隔離時鐘,因為時鐘抖動的影響可能會破壞性能。其次應(yīng)注意隔離電源。簡單的隔離拓撲(如反激)會引入高EMI瞬變。
為了獲得更好的性能,應(yīng)使用推挽式轉(zhuǎn)換器。還需要關(guān)注數(shù)據(jù)隔離(盡管不太重要),可用標(biāo)準(zhǔn)器件能提供良好性能,對整體系統(tǒng)性能的影響較小。介紹這三個隔離主題有助于設(shè)計人員提出高性能隔離系統(tǒng)解決方案。
審核編輯 :李倩
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