非常見問題：SAR ADC的隔離

作者簡(jiǎn)介：Wilfried Platzer曾在德國(guó)卡爾斯魯厄?qū)W習(xí)信息技術(shù)，側(cè)重于射頻技術(shù)。他1997年開始在ITT工作，后來在TDKMicronas工作。Wilfried擔(dān)任過多種職務(wù)，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師開始，然后專注于混合信號(hào)IC的概念和系統(tǒng)架構(gòu)工程設(shè)計(jì)。11年后，他跳到Auma從事電子預(yù)開發(fā)工作。2015年，他加入凌力爾特公司（現(xiàn)為ADI公司的一部分）。目前，Wilfried是ADI公司的高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為瑞士提供區(qū)域支持。聯(lián)系方式：wilfried.platzer@analog.com。

問題：如何為ADC 增加隔離而不損害其性能？

答案：對(duì)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(hào)鏈都需要非常低的噪聲。當(dāng)信號(hào)鏈需要額外的隔離時(shí)，性能會(huì)受到影響。

關(guān)于隔離，有3 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(hào)）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^）

對(duì)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(jiǎn)單可行的特點(diǎn)。該拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)是只需要很少的外部元件。反激式轉(zhuǎn)換器只有1 個(gè)集成開關(guān)。該開關(guān)可能是影響信號(hào)鏈性能的主噪聲源。對(duì)于高性能模擬設(shè)計(jì)，反激式轉(zhuǎn)換器會(huì)帶來很多斷點(diǎn)，引起電磁輻射（稱為EMI），這可能會(huì)限制電路的性能。

圖1 典型的反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/em>

圖2 顯示了變壓器L1 和L2 中的電流。在初級(jí)（L1）和次級(jí)（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(jí)電感中累積，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，它們被傳輸?shù)酱渭?jí)電感，產(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(qǐng)參閱應(yīng)用筆記AN139^[1]。

圖2 LT8301在變壓器繞組中切換電流

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I 1 減小到較低負(fù)載電流I 2 而變化。頻率的變化會(huì)在不可預(yù)測(cè)的時(shí)間產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。此外，頻率也會(huì)因器件不同而異，這使得更難以對(duì)其進(jìn)行濾波，因?yàn)槊總€(gè)PCB 都需要調(diào)整濾波。對(duì)于一款5 V 輸入范圍的20 位SAR ADC，1 LSB 相當(dāng)于大約5 μV。EMI 噪聲引入的誤差應(yīng)低于5 μV，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?/p>

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

還有其他電磁輻射干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(qǐng)記住，初級(jí)到次級(jí)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2 層平面實(shí)現(xiàn)，以及/ 或者利用實(shí)際電容實(shí)現(xiàn)。

圖4 具有超低噪聲后置穩(wěn)壓器的LT3999

圖5 顯示了變壓器處的電流波形（初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電流），它更好地利用了變壓器，提供更好的EMI行為。

圖5 LT3999電流波形

圖6 顯示了與外部時(shí)鐘信號(hào)的同步。采集階段的末端與同步引腳的正邊沿對(duì)齊。因此，將有一個(gè)大約4 μs 的較長(zhǎng)安靜時(shí)間。這使得轉(zhuǎn)換器可以在該時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)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<1 μs 的安靜窗口。

圖6 LT3999及其與同步引腳的切換關(guān)系

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(hào)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(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(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(huì)增加時(shí)鐘抖動(dòng)，從而限制ADC 的性能。更多詳細(xì)信息請(qǐng)參見設(shè)計(jì)筆記DN1013^[1]。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。

圖7 時(shí)鐘抖動(dòng)與ADC性能的關(guān)系

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(duì)于100 dB SNR 目標(biāo)，由于時(shí)鐘抖動(dòng)，信號(hào)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(duì)于100 dB SNR 目標(biāo)，現(xiàn)在的信號(hào)采樣速率為50 kHz，在全部SNR 性能下可提供更多帶寬。

圖8 使用標(biāo)準(zhǔn)隔離器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘隔離

●   圖9：對(duì)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。

圖9 使用LVDS時(shí)鐘隔離器實(shí)現(xiàn)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)。

圖10 使用額外PLL凈化時(shí)鐘抖動(dòng)的時(shí)鐘隔離圖10 使用額外PLL凈化時(shí)鐘抖動(dòng)的時(shí)鐘隔離

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1 個(gè)2 分頻器。AD7760 額定支持1.1 MHz。

圖11 ADF4360-9用作時(shí)鐘凈化器

因此， 不能直接支持LTC2378 等1 MSPS SARADC。在這種情況下，低抖動(dòng)觸發(fā)器會(huì)有幫助。它將時(shí)鐘2 分頻。

圖12 觸發(fā)器用于降低時(shí)鐘以用于LTC2378

●   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(huì)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(duì)頻率將會(huì)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(qǐng)參閱工程師對(duì)話筆記EE-268^[2]。

圖13 隔離（熱）側(cè)的時(shí)鐘產(chǎn)生

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-DeltaADC，如AD7760。這里，重要的時(shí)鐘信號(hào)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(huì)破壞性能。其次應(yīng)注意隔離電源，簡(jiǎn)單的隔離拓?fù)洌ㄈ绶醇ぃ?huì)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(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

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[3] PRABHUGAONKAR A V.工程師對(duì)話筆記EE-268:Programming asynchronous sample rate converters on ADSP-2136x SHA RC processors[R/OL].https:// www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/EE268v01.pdf

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）