. , . - 1-3
. (044) 400-00-46 /. (044) 594-26-75

Повышение соотношения сигнал/шум в изолированных АЦП (ЦАП)

 

 

Application Bulletin AB-14

 

Зачем изолировать преобразователи данных?

Как будет показано в этой статье, гальваническая развязка это экономически эффективный путь уменьшения системного шума преобразователя данных и увеличения разрешения. Будут  даны рекомендации, как достичь лучшей в своем классе точности преобразования выбором  подходящего изолятора и правильно спроектированным (земляным) слоем печатной платы.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи данных

Устройства преобразования данных, такие как АЦП и ЦАП, - одни из наиболее сложных для конструирования. В цифровой век, они являются сердцем интерфейсов между ЭВМ и реальным миром и могут использоваться для управления разнообразнейшими устройствами и механизмами. Получение оптимальных шумовых характеристик - одна из наиболее трудных проблем преобразования, из-за сложной природы шумов. Шум всегда сложно измерить и ещё сложнее подтвердить. Сам процесс измерения шума в системе может вызвать изменение условий прохождения аналогового или цифрового сигнала и дать ошибочные показания.

 

Разработчики микросхем АЦП и ЦАП тщательнейшим образом проектируют топологию, уменьшая сопротивление участков общей подложки, по которым возможно протекание токов от аналоговой и цифровой части. Невозможно переоценить эту работу, ведь топология преобразователя задает граничные шумовые характеристики в любом поколении преобразователей, и разделение токов, переменного и постоянного, расчетного и паразитного, является наиболее важной задачей любой конструкции. Приобретая микросхемы АЦП(ЦАП), важно помнить, что их наилучшие характеристики могут быть подтверждены только в схемах измерения производителя. Миллионы долларов тратятся на то, чтобы гарантировать погрешности измерения и чтобы технические условия отражали действительно предельные значения, достижимые в условиях ограничений полупроводникового производства. К сожалению,  производители микросхем не учитывают помехи, создаваемые другими устройствами на печатной плате реального устройства. Разнообразные источники питания, ограничение по затратам и присутствие других негативных факторов, снижающих системный запас по шумам, делает нереальной попытку получить те предельные параметры, которые заявлены в ТУ на купленную микросхему.

В статье описаны традиционные методы достижения  возможно лучших  показателей в схемах АЦП (ЦАП) и показаны примеры  использования изоляторов NVE для гальванической развязки, позволяющей улучшить шумовые характеристики в системе.

 

Разделение токовых цепей

.Если Вы оцениваете новую систему сбора данных и с сожалением замечаете, что по параметру шум + искажения вместо ожидаемых 92 дБ получается около 80 дБ, Вы не одиноки!

Реальный потенциал высокоточного АЦП может быть достигнут только правильным выбором преобразователя, использованием наиболее эффективной схемы сопряжения на "физическом уровне" со входом АЦП, и как можно лучшим разделением цифровых и аналоговых цепей. Ошибки могут быть сделаны на любом из этих трех этапов, но, как правило, источником ошибок преобразования является взаимовлияние аналогового и цифрового сигнального тракта.

 

Рис. 1 Типичное АЦП приложение

 

На Рис.1 показана типичная схема с АЦП, на которой видны аналоговая и цифровая земли. На печатной плате эти земли должны быть соединены вместе и затем подключены к системной земле.

На Рис.2 показана та  же схема с LC-компонентами, представляющими  реально существующие индуктивности проводников и паразитные емкостные связи на печатной плате.

 

Рис 2.  Паразитные элементы на плате АЦП

 

Отметим емкостное и индуктивное взаимодействие "земель" друг с другом и входным сигналом. Этими паразитными связями нельзя пренебрегать. Обычно производители преобразователей дают совет соединять общие выводы (аналоговый и цифровой) с землей как можно ближе к микросхеме. Это общий совет, но подробности умалчиваются. В случае АЦП аналоговый сигнал подвергается выборке, и его цифровое представление почти сразу появляется на выходе. Большинство АЦП имеют КМОП выходной каскад для уменьшения затрат энергии, но все же во время переходных процессов происходят значительные колебания мгновенных значений токов цифровой шины, воздействующие на вход, и поэтому конвертированные выходные коды не совсем соответствуют входному сигналу. Изменения тока земляной шины вызовут изменения эффективного входного напряжения АЦП, если есть достаточное паразитное сопротивление обратной связи по общей земляной шине. Другими словами, важно не только соединить земли вместе, но и убедиться в том, что результирующее сопротивление земли АЦП, по отношению к системной земле, минимально. Обычно под землю отводят целый слой печатной платы, соединяя общие выводы (аналоговый и цифровой) прямо под микросхемой. Возможно, это лучший вариант, но берегитесь скрытых ошибок. Используемые многослойные платы могут иметь несколько земляных и экранирующих слоёв. И, конечно, плотные печатные платы могут иметь сигнальные цепи, пересекающие земляные слои.

При конструировании плат высокоскоростных АЦП или ЦАП, важно помнить, что пересечения могут оказывать нежелательное влияние на работу преобразователя. Любой проводник разведенный поверх другого проводника, при наличии промежуточного изолирующего слоя, формируют паразитную ёмкость. Если плата имеет множество пресечений на цифровом входе/выходе, или есть параллельные земляные слои,  переходные процессы КМОП-логики вызовут в аналоговых цепях паразитные токи, мгновенные значения которых можно оценить из формулы CdV/dt. Спектр, показанный на рис.3, иллюстрирует ключевые динамические характеристики.

 

Рис. 3. Спектр  на выходе 16-битного АЦП, V(f) 0dB, 10MHz

 

На спектре отмечены основная (1) , вторая (2) и третья (3) гармоники соответственно. Динамический диапазон свободный от гармоник (SFDR)  ограничивается наибольшим выбросом и обозначен цифрой 4. Соотношение сигнал/шум (SNR)  подсчитывается по хорошо известной формуле 1, связывающей  SNR с количеством бит идеального n -разрядного АЦП, и для n=16 дает в итоге  98 дБ:

 

SNR = (6.02n + 1.72)dB Формула 1

 

Наиболее важной характеристикой для всех рассматриваемых систем, тем не менее является соотношение SINAD и вычисляемая из него эффективная разрядность ENOB.

SINAD (Отношение сигнала к шуму и искажениям) это отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов (RSS) всех остальных составляющих спектра, включая гармоники.  

ENOB подсчитывается заменой SNR (в формуле 1) на SINAD :

 

ENOB = (SINAD -1.76)/6.02 bits Формула 2

 

Во многих описаниях АЦП довольно свободно принимается, что SINAD равно SNR, так что инженер должен быть внимательным при интерпретации этих характеристик.

Эффективная разрядность является ключевым параметром при выборе АЦП для телекоммуникаций, аудио, фото и многих промышленных приложений, включая сигма-дельта АЦП. Небрежная разработка может неоправданно занизить его показатели.

 

Чем может помочь IsoLoop?

Ошибочно полагать, что для гальванической развязки подойдет любой изолятор. Для высокоскоростных АЦП нет смысла использовать оптопары, т.к. они добавят больше искажений и шумов, чем  исходная цепь со всеми  паразитными связями. NVE изоляторы в корне все это меняют, позволяя конструктору эффективно разделять цифровые и аналоговые цепи земляных токов без привнесения дополнительных шумов. Высокоскоростной цифровой изолятор позволяет конвертору работать так, как задумал изготовитель. Скорость нарастания импульсов может достигать 5 кВ/мкс, а вместе с выбросами, вызываемыми паразитными токами  в цепях преобразования мощности и управления двигателем, пики могут достигать более чем 10 кВ/мкс. При скорости изменения 5 кВ/мкс, достаточно всего 200 фФ (фемто 10-15) паразитной емкости для передачи всплеска в 1 мА в воспринимающий узел аналогового входа. Входное напряжение, как и выходной код зависят от добавок, вносимых асинхронными источниками шума, и это есть одна из главных причин, по которой SFDR АЦП в реальных платах обычно ниже, чем они же, заявляемые производителем преобразователей.

 

Какова цена?

Если микросхемы IsoLoop так хороши для улучшения шумовых характеристик, значит ли это, что их применение требует больших расходов? Ответ прост - нет. Каждый дополнительный слой в многослойной плате добавляет около 20% в общую стоимость этой платы. Когда Вы сопоставляете IsoLoop решение для SPI конверторов, стоящее около доллара за канал, со стоимостью использования дополнительных слоёв, - оно быстро становится привлекательным. Даже без выигрыша в стоимости платы, неплохо за три доллара увеличить эффективное разрешение (ENOB) системы на 0,5 бита, оторвавшись от конкурентов, или добавить 1% к количеству номеров базовой станции. Развязка с помощью микросхем фирмы NVE  имеет большие перспективы в системах сбора данных, потому что обеспечивают высокую точность, эффективное разрешение и широкую полосу пропускания без изменения базового комплекта оборудования.

 

Компоновка печатной платы

Физическое размещение АЦП на плате имеет большое значение. Микросхема должна находиться максимально близко к тому краю платы, откуда подводится питание и входные сигналы. Правильное расположение минимизирует паразитные земляные токи и улучшает динамические характеристики. Каждая площадка поверхностного монтажа, расположенная на плате, создает около 100 фФ ёмкости по отношению к земле или проводникам под нею. Если используется компоновка на рис. 4, быстрые возвратные токи будут инжектироваться в контур аналогового сигнала:

Рис. 4. Плохое место для АЦП

 

Смещение АЦП ближе к разъему и физическое отсечение всех общих земляных участков , как показано на рис. 5, может уменьшить эффект.

 

Рис. 5. Улучшенная разводка

 

На рис. 5  земляные токи остальных микросхем платы не проходят под или параллельно аналоговым цепям АЦП, уменьшая влияние высокоскоростных перепадов. Однако цифровая земля и цифровые входы/выходы АЦП не отделены от остальных устройств. Рис. 6 показывает IsoLoop решение, которое существенно уменьшает токи асинхронных шумов благодаря разделению цифровой земли печатной платы и земли, идущей к АЦП:

 

Рис. 6. АЦП с IsoLoop разделителем токов

 

Изолированная земля АЦП соединена с аналоговой землей через разъем.  По этой земле  проходят  возвратные токи, являющиеся результатом "цифровой активности" входа/выхода АЦП и которые синхронизированы с тактовым генератором конвертора или тактовым генератором данных. В отличие от компоновки, показанной на рис. 5, здесь никакие асинхронные шумы не инжектируются в землю АЦП от других цифровых устройств и проводников на плате.

 

Рис. 7 показывает петлю токов Кирхгоффа для варианта разводки, изображенного на рис. 5, на рис. 8 показана петля токов для варианта изолирования, изображенного на рис.6. Обратите внимание, как IsoLoop, в варианте изображенном на рис.8, эффективно защищает АЦП контур от токов, которые не были сгенерированы самим АЦП. Случайный, быстро возрастающий выброс тока фактически направляется к "земляному" выводу, без вреда для  аналогового сигнала.

 

Рис. 7. Петля Кирхгоффа для варианта на рис. 5.

 

Рис. 8. Петля Кирхгоффа для варианта на рис. 6.

 

Изолирование цифровых сигналов и управление токами.

Полная гальваническая изоляция между АЦП и остальными компонентами платы возможна при использовании второго источника питания и соединения земляных контактов обеих частей платы с соответствующими им землями. Управление цифровыми токами таким способом - сильное решение для улучшения "шумовых" характеристик преобразователя. Внимательный выбор и размещение изолированных источников питания необходимо для предотвращения наложения шумов источника на аналоговые цепи сигналов преобразователя, но намного большее улучшение шумовых характеристик можно ожидать от применения изолированного преобразователя.