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如何為ADC增加隔離而不損害其性能？

發(fā)布時(shí)間：2021-07-02 來源：Wilfried Platzer 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】如何為ADC增加隔離而不損害其性能？對于隔離式高性能ADC，一方面要注意隔離時(shí)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(jì)時(shí)，整個(gè)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(shí)，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(shí)鐘或轉(zhuǎn)換信號）的時(shí)鐘隔離，以防熱端不產(chǎn)生時(shí)鐘
 
隔離電源（反激拓?fù)渑c推挽拓?fù)涞谋容^）
 
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(diǎn)。該拓?fù)涞膬?yōu)勢是只需要很少的外部元件。反激式轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)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(jì)，反激式轉(zhuǎn)換器會帶來很多斷點(diǎn)，引起電磁輻射（稱為EMI），這可能會限制電路的性能。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖1.典型的反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/div>
 
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(shí)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(shí)，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(jì)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?fù)涞牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)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(gè)挑戰(zhàn)涉及開關(guān)頻率變化。圖3顯示了負(fù)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(fù)載電流從較高負(fù)載電流I1減小到較低負(fù)載電流I2而變化。頻率的變化會在不可預(yù)測的時(shí)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(jìn)行濾波，因?yàn)槊總€(gè)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(shí)，不應(yīng)選擇反激拓?fù)洹?/div>
 
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(shí)鐘同步的可能性，有助于實(shí)現(xiàn)高性能。圖4顯示了隔離電源電路中的LT3999與ADC采樣時(shí)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(gè)避免共模噪聲效應(yīng)的返回路徑。該電容可以在PCB設(shè)計(jì)中利用重疊的頂層平面和第二層平面實(shí)現(xiàn)，以及/或者利用實(shí)際電容實(shí)
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖2.LT8301在變壓器繞組中切換電流。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
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。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖4.具有超低噪聲后置穩(wěn)壓器的LT3999。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖5.LT3999電流波形。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
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(shí)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(gè)大約4μs的較長安靜時(shí)間。這使得轉(zhuǎn)換器可以在該時(shí)間范圍內(nèi)對輸入信號進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，只需將SPI信號SPI時(shí)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(shí)現(xiàn)。
 
時(shí)鐘隔離
 
時(shí)鐘隔離是另一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)104 dB的信噪比(SNR)。為了實(shí)現(xiàn)高性能，需要無抖動(dòng)時(shí)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(shí)鐘抖動(dòng)，從而限制ADC的性能。更多詳細(xì)信息請參見 設(shè)計(jì)筆記DN1013。
 
圖7顯示了不同頻率、不同類型時(shí)鐘抖動(dòng)下SNR的理論極限。像 LTC2378 這樣的高性能ADC的孔徑時(shí)鐘抖動(dòng)為4 ps，在200 kHz輸入下理論限值為106 dB。
 
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖7.時(shí)鐘抖動(dòng)與ADC性能的關(guān)系。
 
圖11顯示了使用PLL凈化時(shí)鐘的更詳細(xì)框圖。您可以將ADF4360-9用作時(shí)鐘凈化器，并在輸出端增加一個(gè)2分頻器。 AD7760 額定支持1.1 MHz。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖8.使用標(biāo)準(zhǔn)隔離器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘隔離。
 
圖8顯示的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(dòng)為70 ps rms。對于100 dB SNR目標(biāo)，由于時(shí)鐘抖動(dòng)，信號采樣速率限制為20 kHz。
●    像 LTM2893 這樣優(yōu)化的時(shí)鐘隔離器提供30 ps rms的低抖動(dòng)。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。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖9.使用LVDS時(shí)鐘隔離器實(shí)現(xiàn)時(shí)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(dòng)，接近ADC的最佳性能。在100 kHz輸入時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致的SNR限值將是110 dB。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖10.使用額外PLL凈化時(shí)鐘抖動(dòng)的時(shí)鐘隔離。
 
●    圖10：使用PLL凈化時(shí)鐘。 ADF4360-9 可以幫助減少時(shí)鐘抖動(dòng)。
 
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖11.ADF4360-9用作時(shí)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(dòng)觸發(fā)器會有幫助。它將時(shí)鐘2分頻。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖12.觸發(fā)器用于降低時(shí)鐘以用于LTC2378。
 
如何為ADC增加隔離而不損害其性能？
圖13.隔離（熱）側(cè)的時(shí)鐘產(chǎn)生。
 
●    圖13：本地產(chǎn)生時(shí)鐘是獲得具有所需抖動(dòng)性能的時(shí)鐘的另一個(gè)方案。本地時(shí)鐘生成會使時(shí)鐘架構(gòu)更加復(fù)雜，因?yàn)樗鼘惒綍r(shí)鐘域引入系統(tǒng)。例如，若要使用兩個(gè)單獨(dú)的隔離ADC，則時(shí)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(shí)鐘。有關(guān)采樣速率轉(zhuǎn)換的一些細(xì)節(jié)，請參閱工程師對話筆記EE-268。
 
高性能Sigma-Delta ADC的時(shí)鐘
 
時(shí)鐘的類似問題也適用于高性能Sigma-Delta ADC，如AD7760。這里，重要的時(shí)鐘信號是無抖動(dòng)過采樣時(shí)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(xì)設(shè)計(jì)隔離方案并選擇隔離技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高于100 dB的高性能SNR。應(yīng)特別重視隔離時(shí)鐘，因?yàn)闀r(shí)鐘抖動(dòng)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?fù)洌ㄈ绶醇ぃ敫逧MI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(gè)隔離主題有助于設(shè)計(jì)人員提出高性能隔離系統(tǒng)解決方案。
 
 
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