Det går att uppnå hög mätnoggrannhet i lösningar som drar låg effekt. det visar här Todd Nelson, utvecklingschef för moduler i signalkedjan och Clarence Mayott, applikationsingenjör, Linear Technology.

Det var länge sedan elektriska precisionsmätningar utfördes i labbmiljöer där det fanns nog elektricitet och tid för att säkra extrem noggrannhet.  Idag förväntas instrumenten bäras ut i fält, vara batteridrivna och ge omedelbara och ännu noggrannare mätresultat.  Analoga kretsar har dock inte på samma sätt som digitala kretsar fördel av att skalas ned till mindre geometrier.  Bruset, som är precisionsmätningarnas fiende, ökar när energiförbrukningen minskar, och signal/brus-förhållandet (SNR) försämras med nya lågspänningsprocesser eftersom signalernas amplitud minskar.  Så hur kan den analoga signalkedjan “bli grönare” samtidigt som prestanda förbättras?
Hjärtat i många snabba instrument är en mycket snabb A/D-omvandlare (ADC).  Icke-destruktiv testning av metallföremål utnyttjar exempelvis en bildteknik som liknar medicinsk ultraljudsteknik, där en digital bildsensor matar en höghastighets A/D-omvandlare.  I vissa fall finns det många kanaler, så storleken och energiförbrukningen spelar stor roll.  Bärbara instrument måste givetvis spara batterikraft, men även fasta installationer behöver vara energismarta – antingen det rör sig om miljöinitiativ eller helt enkelt för att minimera värmeavgivningen i kompakta utrymmen.  Trenden inom A/D-omvandlare är att övergå till mindre processgeometrier och använda 1,8 V matning för att spara energi. Men det krävs en smart A/D-konstruktion för att uppnå samma eller bättre prestanda som hos liknande 3 V utrustning.

Fig 1. Obalanserat till differentiellt gränssnitt till höghastighets-ADC.

Linear Technology har utvecklat flera benkompatibla familjer av 12-, 14- och 16-bitars A/D-omvandlare för 1,8 V och ultralåg energi vid samplingshastigheter på upp till 125 MSa/s som ger utmärkta dynamiska prestanda vid mycket låga energinivåer.  De nya komponenterna minskar drastiskt energiförbrukningen utan att funktioner utesluts eller ingångsstegets behov av förstärkning ökar.  Genom att ha tillgång till ett urval av enkla, dubbla, fyrdubbla och oktala A/D-omvandlare kan kunderna åstadkomma hög kanaldensitet och samtidigt se till att systemens värmeavgivning är så låg som möjligt.  A/D-omvandlaren är dock bara en länk i kedjan.  Hela signalkedjan måste matchas väl i ett framgångsrikt instrument.

Matchad signalvägskonstruktion
LTC2195-familjen är en idealisk lösning för tillämpningar som kräver 16-bitars prestanda och ultralåg energiförbrukning för att förlänga batteriets livslängd. Bärbara instrument är ett perfekt exempel. I många tillämpningar måste signalen från sensorn behandlas innan den samplas av A/D-omvandlaren. För den uppgiften är det viktigt att välja en lågbrusig, lågenergibaserad förstärkare som matchar prestanda hos A/D-omvandlaren, såsom LTC6406, som passar bra ihop med LTC2195-familjen.
LTC6406 är en fullt differentiell förstärkare med lågt brus (1,6 nV/√Hz vid ingången) och hög linjäritet (+44 dBm OIP3 vid 20 MHz) i en liten 3×3 mm QFN-kapsel. Externa motstånd ställer in förstärkningen, vilket ger användaren maximal flexibilitet för konstruktionen. Låg effektförbrukning (59 mW med 3,3 V matning) minimerar inverkan på systemets energibudget. Denna förstärkare har även ett “common mode”-spänningsområde ned till 0,5 V, vilket innebär att den kan paras sömlöst med LTC2195, som har en nominell “common mode”-spänning på 0,9 V.
En digital sensors utgång är normalt obalanserad. Denna måste översättas från obalanserad till differentiell innan den kan samplas av A/D-omvandlaren. Om signalen även måste relateras till DC kan en transformator inte användas. I stället krävs en lågbrusig förstärkare som kan göra en översättning från obalanserad till differentiell, såsom LTC6406.
Förstärkaren måste följas av ett filter för att minska det bredbandiga bruset hos förstärkaren och för att isolera förstärkarens utgång från A/D-omvandlarens ingångar ger “common mode”-fel förknippade med samplingskondensatorernas inkoppling. Ett filter hjälper till att dämpa dessa fel, vilket skyddar förstärkaren. Ett filter av hög ordning behövs inte eftersom förstärkarens brus är ganska lågt. Med en brytfrekvens på 12 MHz räcker det filter som används här — det försämrar inte A/D-omvandlarens prestanda.
Det slutliga filtret bör utformas för att minska endast det bredbandiga bruset hos förstärkaren, inte som ett selektivitetsfilter med branta flanker utanför överföringsbandet. Ett brant filtret ökar inlänkningsdämpningen och försämrar OIP3 hos förstärkaren, vilket leder till distorsion av signalen från sensorn. Kretsen som visas i fig 1 uppnår detta mål.

Fig 2. FFT-resultat för kretsen i figur 1 med FS = 125 Msps och FIN = 1 MHz.

Den A/D-omvandlare som används är LTC2195, en 16-bitars 125 MSa/s dubbel A/D-omvandlare med simultan sampling som matas med en enda 1,8 V spänningsmatning.  Vid 216 mW per kanal ger denna komponent nästan identiska SNR-prestanda som A/D-omvandlare som drar 1,25 W.  Det seriella LVDS-gränssnittet möjliggör för komponenten att uppta mindre än hälften så mycket kortutrymme som tidigare A/D-omvandlare och möjliggör även användning av mindre FPGA-kretsar tack vare det minskade antalet I/O.  Tillsammans med LTC6406 förbrukar denna krets endast 275 mW – en uppenbar fördel för flerkanalsystem.  Denna krets kan lätt användas för familjens 14- eller 12-bitars medlemmar eller för omvandlare som samplar vid mycket lägre samplingshastigheter, vilket sparar ytterligare energi.
Fig 2 visar prestanda för denna krets. Resultaten visar att linjäriteten hos förstärkaren inte försämrar SFDR hos A/D-omvandlaren vid låga infrekvenser. SNR är dessutom fortfarande oförändrad på 76,5 dB. LTC6406 försämrar inte SNR eller SFDR hos LTC2195 vid “unity gain”.

Lågeffekts högprestanda
Trenden mot “gröna” instrument och testutrustningar är oundviklig, antingen för fasta installationer eller bärbar utrustning.  När prestandanivåerna ökar och behovet av energiförbrukning minskar är det viktigt att matcha samtliga komponenter i hela signalkedjan.  För 16-bitars prestanda är LTC2195 den perfekta A/D-omvandlaren för energismarta, högupplösta sensortillämpningar, medan LTC6406 passar bra som drivkretsförstärkare—den försämrar inte prestanda hos LTC2195 och dess energibehov är också lågt. A/D-omvandlarens databladsprestanda kan lätt uppnås genom användning av ett filter av relativt låg ordning för att minska det bredbandiga bruset hos förstärkaren.
Tillsammans utgör LTC2195 och LTC6406 den idealiska kombinationen för vilken bärbar bildsensortillämpning som helst, genom att kombinera utmärkta prestanda med låg energiförbrukning.
Todd Nelson, utvecklingschef för moduler i signalkedjan och Clarence Mayott, applikationsingenjör, Linear Technology
 

Filed under: Matteknik