Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Poprawianie gęstości upakowania elementów w torach analogowych dzięki SiP

ghost666 10 Lut 2017 20:14 2589 1
  • Częstym pragnieniem projektantów systemów analogowych jest zwiększenie gęstości upakowania elementów elektronicznych w układzie, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich parametrów pracy. Im więcej aplikacji zaczyna wykorzystywać przetworniki ADC na każdym kanale pomiarowym (a nie jeden ADC + multiplekser), tym bardziej pragnienie to jest istotne. Starania aby zwiększyć w układach o tym samym rozmiarze więcej kanałów pomiarowych tylko uzupełniają te dążenia.

    Jednocześnie innym niezależnym trendem jest budowa prostszych układów, które łatwiej jest projektować tak, aby osiągały katalogowe parametry. To nowe podejście do projektowania torów analogowych oferuje szansę na implementację zupełnie nowego podejścia i wykorzystanie układów tzw. SiP, czyli System-in-Package. Układy projektowane w tej technologi integrują w sobie wiele elementów i oferują scalone systemy w jednej obudowie.

    Przykładem tego rodzaju systemów są produkowane przez Analog Devices układy z rodziny ADAQ798x. Są to scalone systemy akwizycji danych, integrujące w sobie cztery kanały akwizycji i przetwarzania danych wraz z analogowym torem wejściowym w jednej obudowie. Układ ten zawiera w sobie ponadto krytyczne elementy pasywne, co eliminuje z etapu projektowania konieczność ich doboru i optymalizacji, zapewniając szybsze otrzymanie prototypu o katalogowych parametrów.

    Jeśli spojrzymy na aplikacje wykorzystujące przetworniki SAR ADC, zauważyć możemy, że szereg z nich posiada wiele wspólnych elementów toru analogowego. Ta obserwacja zainicjowała opracowanie układów SiP, które właśnie integrują w sobie podstawowe elementy wspólne tych systemów. Niektóre z tych systemów wykorzystują dodatkowo systemy kondycjonowania sygnału wejściowego, z uwagi na wykorzystanie nietypowych sensorów itp. Inne z kolei wykorzystują multiplekser, do 'obsłużenia' większej ilości kanałów pojedynczym ADC. We wszystkich przypadkach systemy te wyposażone są w specjalistyczne zasilacze, umożliwiające osiągnięcie możliwie najlepszych parametrów elektrycznych.

    Układy ADAQ7980 oraz ADAQ7988 integrują w sobie wiele z opisanych powyżej elementów. W każdym z nich znajdziemy 16 bitowy przetwornik SAR ADC, niekoszumny, szerokopasmowy driver przetwornika, stabilizator napięcia odniesienia oraz blok zasilania, pozwalający na stabilizację i filtrację odpowiednich napięć dla systemu. Wszystko to zintegrowane jest w obudowie LGA o wymiarze nie większym niż 5 mm x 4 mm. Ogromna integracja tych układów nie stoi w sprzeczności z ich elastycznością. Układy z rodziny ADAQ798x mogą być dostosowywane do wielu aplikacji w systemach pomiarowych, oferując zalety integracji i miniaturyzacji.

    Projektując opisywane układu Analog Devices przeanalizował typowe błędy popełniane przez inżynierów podczas projektowania tego rodzaju systemów. Okazało się, że większość błędów skupia się wokół dwóch aspektów - wejścia odniesienia i wejścia analogowego systemu. Wiele z tych błędów związane jest z układami peryferyjnymi względem ADC, które jednakże są krytyczne dla jego poprawnego działania.





    Jeśli chodzi o tor napięcia odniesienia głównymi błędami jest niepoprawne prowadzenie ścieżek w układzie oraz niedopasowanie kondensatora filtrującego przy wejściu do ADC, a także zbyt mały prąd wyjściowy stabilizatora, dostarczany do ADC oraz zbyt duża spektralna gęstość szumu w tym napięciu, co wpływa na wprowadzenie szumu do ADC.

    Z kolei w przypadku wysterowania wejścia ADC problematycznym jest dobór drivera oraz filtra wejściowego układu, zwłaszcza niepoprawny dobór materiału dielektrycznego kondensatora, jaki wykorzystany jest w tym filtrze.

    W układach występować może różna kombinacja tych błędów, które wszystkie prowadzą do pogorszenia parametrów toru pomiarowego. Projektanci ADAQ798x postanowili zaadresować wszystkie te obszary i opracować rozwiązanie eliminujące te problemy z życia elektroników.

    Aby osiągnąć katalogowe parametry układu ADC poprawnie trzeba dobrać i dołączyć doń wymienione powyżej układy peryferyjne: źródło napięcia odniesienia o niskiej impedancji wejściowej, zaopatrzone w kondensator filtrujący o odpowiednio dużej pojemności oraz odpowiednio dobrany tor analogowy, sterujący wejściem ADC poprzez filtr analogowy.

    Odpowiednio duża pojemność w torze napięcia odniesienia potrzebna jest z uwagi na bardzo duży pobór prądu przez przetwornik SAR w czasie próbkowania. Pozwala ona na uzupełnianie ładunku zgromadzonego w układzie scalonym pomiędzy akwizycjami. Kondensator ten musi być dołączony blisko układu, tak aby zapewnić ścieżkę o bardzo niskiej impedancji dla prądu od kondensatora do wejścia napięcia odniesienia w ADC.

    W przypadku toru wejściowego krytyczny wpływ na jakość pracy toru akwizycji mają parametry szumowe drivera oraz odpowiedni filtr wejściowy. Poziom szumu analogowego front-endu ADC ma bezpośredni wpływ na efektywną rozdzielczość przetwornika.

    Układy SiP integrują w sobie te elementy, dzięki czemu projektant urządzenia pomiarowego nie musi martwić się tymi kwestiami. Na rysunku 1 zaprezentowano schemat blokowy systemu z rodziny ADAQ798x.

    Poprawianie gęstości upakowania elementów w torach analogowych dzięki SiP
    Rys.1. Schemat blokowy systemu ADAQ798x.


    Jak pokazano na rysunku 1 systemy te integrują w sobie bufor napięcia odniesienia wraz z filtrującym kondensatorem 10 µF. Położony on jest bardzo blisko ADC, co zapewnia niską impedancję połączenia pomiędzy tym elementem, a kondensatorem wewnętrznym przetwornika SAR. Dzięki temu ADC może szybko przeładowywać wewnętrzną pojemność pomiędzy próbkami. Oprócz niskiej impedancji ścieżki zadbano także o niski opór - dzięki temu ewentualne spadki napięcia na tym torze nie będą miały wpływu na błędy pomiarów ADC. Bufor - wtórnik napięciowy - zastosowany w układzie w torze napięcia odniesienia, ma wysoką impedancję wejściową, dzięki czemu łatwo wysterować go źródłem napięcia odniesienia. Dzięki temu wraz z ADAQ798x wykorzystać można niedrogie stabilizatory napięcia odniesienia bez zintegrowanych lub dedykowanych, dyskretnych buforów. Dodatkowo, dzięki temu że wejście REFIN ma wysoką impedancję, mamy dużą elastyczność w ulokowaniu źródła napięcia referencyjnego na PCB - nie musi on znajdować się koniecznie możliwie blisko układu. Mimo możliwości integracji także samego stabilizatora napięcia odniesienia zrezygnowano z tego - dzięki możliwości podania zewnętrznego napięcia referencyjnego układy te są o wiele elastyczniejsze w aplikacji.

    Zintegrowane systemy ADAQ798x posiada także wbudowany tor wejściowy, składający się z drivera oraz filtra dolnoprzepustowego. Dobór pasma tego filtra jest kluczowy w osiągnięciu optymalnych parametrów układu - jest ono kompromisem pomiędzy czasem stabilizacji napięcia na wejściu i ilości wyfiltrowanego szerokopasmowego szumu. Każda zmiana na wejściu ADC musi mieć czas ustabilizować się przed dokonaniem konwersji przez ADC. Gdy SAR ADC dokonuje konwersji jego wejście jest fizycznie rozłączone to napięcie musi być ustabilizowane w momencie jej rozpoczęcia. Zasadniczo na końcu konwersji napięcie na wewnętrznej pojemności jest takie samo jak jej na początku, a wtedy podłączana jest do wejścia, gdzie znajduje się równolegle z pojemnością filtra wejściowego. Ładunki wtedy muszą się wyrównać w czasie kolejnej konwersji. W najgorszym przypadku różnica potencjałów może być równa pełnej skali napięcia wejściowego, sytuacja taka szczególnie często może zdarzać się w systemach z multiplekserem. Różnica tych napięć tłumiona jest o stosunek pojemności kondensatora zewnętrznego i wewnętrznego. W układach z rodziny ADAQ798x kondensator w filtrze wejściowym ma pojemność równą 1800 pF. Zakładając napięcie odniesienia równe 5 V, maksymalny krok napięcia na wejściu ADC opisany będzie wzorem:

    $$V_{step} = \frac {5 V \times C_{SAR}} {C_{EXT} + C_{SAR}} = \frac {5 V \times 27 pF} {1800 pF + 27 pF} = 73,9 mV$$ (1)


    Różnica tych napięć musi ustabilizować się na wejściu ADC w czasie krótszym niż 290 ns (okres próbkowania ADC), lub wielokrotności tego czasu. Napięcie musi ustabilizować się do - jak zakładamy - połowy LSB. Aby tak było, potrzebujemy następującą liczbę okresów:

    $$Liczba stałych czasowych = ln(\frac {V_{step}} {V_{połowa LSB}} = ln (\frac {73,9 mV} {\frac {5V} {2^{16+1}}) = 7,57$$ (2)


    Znając liczbę okresów ADC, jakie potrzebujemy na stabilizację, możemy wyliczyć stałą czasową układu:

    $$\tau = \frac {Minimalny czas akwizycji} {Liczba stałych czasowych} = \frac {290 ns} {7,57} = 38,3 ns$$ (3)


    Ta stała czasowa może być wykorzystana do wyznaczenia efektywnego pasma filtra dolnoprzepustowego, jaki potrzebny jest w układzie:

    $$Pasmo RC = \frac {1} {2 \times \pi \times \tau} = \frac {1} {2 \times \pi \times 38,2 ns} = 4,15 MHz$$ (4)


    Aby wykorzystać standardowe elementy i zapewnić sobie odrobinę marginesu w układzie w opisywanym systemie zastosowano opornik o rezystancji 20 Ω i kondensator o pojemności 1800 pF. Pojemność takiego filtra wynosi 4,42 MHz, dzięki czemu filtruje on dużo szumu szerokopasmowego, a jednocześnie nie ogranicza czasu stabilizacji układu. Wykorzystanie filtra o częstotliwości zbliżonej do do granicznej częstotliwości stabilizacji, wyznaczonej jak powyżej, jest właśnie doskonałym kompromisem, o jakim pisano powyżej.

    Obliczenia czasu stabilizacji napięcia na wejściu ADC są czynnikiem ograniczającym filtr. Jednakże warto zwrócić uwagę, że filtr ten musi także - w przypadku systemu z multiplekserem - stabilizować pełne napięcie w minimalnym czasie przełączania kanałów, równym 1 mikrosekundę. Aby ustabilizować napięcie do połowy LSB potrzebujemy 11,78 stałych czasowych. 11,78 x 38,3 ns to około 450 ns - nadal poniżej wymaganego czasu jednej mikrosekundy.

    Pasmo drivera ADC jest także niezwykle istotne, aby zapewnić poprawne działanie systemu akwizycji. W przypadku wzmocnienia jednostkowego, czynnikiem ograniczającym możliwość stabilizacji w zadanym czasie jest konieczność stabilizacji napięcia w czasie gdy ADC przełącza się znowu w tryb akwizycji. W tym przypadku oznacza to, że małosygnałowe pasmo układu musi umożliwić stabilizację napięcia w czasie poniżej 1 mikrosekundy.

    Driver ADC nie może wprowadzać w tor nadmiernego szumu. Całkowity szum układu wylicza się jako pierwiastek sumy kwadratów szumów wszystkich źródeł zakłóceń w torze: ADC, drivera oraz bufora napięcia odniesienia. Z uwagi na ograniczone pasmo bufora napięcia, można pominąć szum wprowadzany tą drogą w pomiar. Docelowy poziom szumu drivera powinien być około 1/3 szumu ADC - nie więcej. Wykorzystany przetwornik wykazuje się spektralną gęstością szumu wynoszącą 5.2 nV/√Hz. Całkowity szum systemu obliczyć możemy zatem jako:

    $$v_{n,rms} = Wzmocnienie szumu \times e_{n,rms} \sqrt {\frac {\pi}{2} \times Pasmo RC} = (1) \times \frac {5,2 nV} {\sqrt{Hz}} \times \sqrt {\frac {\pi}{2} \times 4,42 MHz} = 13,7 \mu V rms$$ (5)


    Typowy zakres dynamiki układu przy 5 V napięciu odniesienia wynosi 92 dB. Poziom szumu ADC wyznaczamy zatem jako:

    $$Poziom szumu ADC = V_{pełnej skali, rms} \times 10^{\frac {-zakres dynamiki}{20}} = 44,4 \mu V rms$$ (6)


    Przy szumie drivera ADC na poziomie 13,7 μV rms, jest on znacznie poniżej szumu przetwornika. Całkowity, efektywny zakres dynamiki układu wynosi 91,6 dB z uwagi na wpływ szumu ADC i wtórnika napięciowego - drivera.

    Na poziom szumu systemu wpływ ma także poziom szumu w napięciu zasilającym. Dlatego też w układ wbudowano niskoszumny stabilizator LDO wykonany w technologii CMOS. Dzięki temu elementowi układ przyjmuje szeroki zakres napięć zasilania, co dodatkowo zwiększa jego poziom elastyczności.

    Układ ADAQ798x dostępny jest w obudowie LGA o wymiarach 5 mm × 4 mm × 2 mm. Oparta jest ona na czterowarstwowej PCB o grubości 1,65 mm i elementów, zabezpieczonych masą z obu stron. Z PCB wyprowadzone są 24 pola lutownicze. Na rysunku 2 zaprezentowano rysunek obudowy opisywanego układu wraz z wymiarami.

    Rysunek 3 pokazuje render 3D elementów umocowanych na wewnętrznym PCB bez zabezpieczającej masy. Na tym obrazie zobaczyć możemy jak w układzie rozmieszczono elementy cyfrowe i analogowe, szczególnie elementy pasywne. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu elementów wewnątrz systemu możliwe jest osiągnięcie optymalnych parametrów pracy układu.

    Poprawianie gęstości upakowania elementów w torach analogowych dzięki SiP
    Rys.2. Wymiary obudowy systemu z rodziny ADAQ798x.

    Poprawianie gęstości upakowania elementów w torach analogowych dzięki SiP
    Rys.3. Model 3D wnętrza układu ASAQ798x.


    Układy z opisanej rodziny oferują znaczne uproszczenia projektowania systemu pomiarowego, co bezpośrednio przekłada się na pieniądze, zainwestowane w projektowanie nowego urządzenia. Dodatkowo, systemy z tej rodziny, są tańsze niż wszystkie elementy jakie zastępują, a dzięki wysokiej integracji w obudowie LGA pozwalają na miniaturyzację całego urządzenia.

    Dzięki odpowiedniemu projektowi i szerokiemu zakresowi temperatur pracy (od –55°C do +125°C) układy te mogą być aplikowane w szerokim zakresie urzadzeń.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/improving-precision-data-acquisition-signal-chain-density-using-sip-technology.html


    Fajne!