高精度ADC布局沒那么難

在電力線路測(cè)量和保護(hù)系統(tǒng)中，需要對(duì)多相輸配電網(wǎng)絡(luò)的大量電流和電壓通道進(jìn)行同步采樣。這些應(yīng)用中，通道數(shù)量從6個(gè)到64個(gè)以上不等。AD76068通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)集成16位雙極性同步采樣SAR ADC和片內(nèi)過壓保護(hù)功能，可大大簡(jiǎn)化信號(hào)調(diào)理電路，并減少器件數(shù)量、電路板面積和測(cè)量保護(hù)板的成本。高集成度使得每個(gè)AD7606只需9個(gè)低值陶瓷去耦電容就能工作。

在測(cè)量和保護(hù)系統(tǒng)中，為了保持多相電力線網(wǎng)絡(luò)的電流和電壓通道之間的相位信息，必須具備同步采樣能力。AD7606具有寬動(dòng)態(tài)范圍，是捕獲欠壓/欠流和過壓/過流狀況的理想器件。輸入電壓范圍可以通過引腳編程設(shè)置為±5 V或±10 V。

此電路筆記詳細(xì)介紹針對(duì)采用多個(gè)AD7606器件應(yīng)用而推薦的印刷電路板(PCB)布局。該布局在通道間匹配和器件間匹配方面進(jìn)行了優(yōu)化，有助于簡(jiǎn)化高通道數(shù)系統(tǒng)的校準(zhǔn)程序。當(dāng)通道間匹配非常重要時(shí)，此電路可以使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源AD7606；而對(duì)于要求出色絕對(duì)精度的高通道數(shù)應(yīng)用，此電路可以使用外部精密基準(zhǔn)電壓源ADR421，它具有高精度（B級(jí)：最大值±1 mV）、低漂移（B級(jí)：最大值3 ppm/°C）、低噪聲（典型值1.75 μV p-p，0.1 Hz至10 Hz）等特性。低噪聲及出色的穩(wěn)定性和精度特性使得ADR421非常適合高精度轉(zhuǎn)換應(yīng)用。這兩個(gè)器件相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界前所未有的集成度、通道密度和精度。

電路描述

AD7606是一款集成式8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，片內(nèi)集成輸入放大器、過壓保護(hù)電路、二階模擬抗混疊濾波器、模擬多路復(fù)用器、16位200 kSPS SAR ADC和一個(gè)數(shù)字濾波器。圖1所示電路包括兩個(gè)AD7606器件，可以配置為使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源或2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源ADR421。如果REF SELECT引腳接邏輯高電平，則選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。如果REF SELECT引腳接邏輯低電平，則選擇外部基準(zhǔn)電壓源。

電源要求如下：AVCC = 5 V, VDRIVE = 2.3 V至5 V（取決于外部邏輯接口要求）。

本電路筆記描述一個(gè)評(píng)估板的布局和性能，其中內(nèi)置兩個(gè)AD7606，構(gòu)成一個(gè)16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配和器件間匹配，模擬輸入通道和器件去耦的對(duì)稱布局非常重要。所示數(shù)據(jù)支持利用圖1所示16通道ADC實(shí)現(xiàn)的匹配性能。

圖1. 采用兩個(gè)AD7606 8通道DAS的16通道、16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（原理示意圖，未顯示所有連接。對(duì)于通道間和器件間匹配測(cè)試，器件之間的具體連接參見正文）

16通道DAS的雙路AD7606板布局

在內(nèi)置多個(gè)AD7606器件的系統(tǒng)中，為確保器件之間的性能匹配良好，這些器件必須采用對(duì)稱布局。圖2顯示采用兩個(gè)AD7606器件的布局。

圖2. 采用兩個(gè)AD7606的16通道DAS的PCB布局

AVCC電壓平面沿兩個(gè)器件的右側(cè)布設(shè)，VDRIVE 電源走線沿兩個(gè)AD7606器件的左側(cè)布設(shè)?；鶞?zhǔn)電壓芯片ADR421位于兩個(gè)AD7606器件之間，基準(zhǔn)電壓走線向上布設(shè)到U2的引腳42，向下布設(shè)到 U1的引腳42。使用實(shí)心接地層。這些對(duì)稱布局原則適用于含有兩個(gè)以上AD7606器件的系統(tǒng)。AD7606器件可以沿南北方向放置，基準(zhǔn)電壓位于器件的中間，基準(zhǔn)電壓走線則沿南北方向布設(shè)，類似于圖2。

良好的去耦也很重要，以便降低AD7606的電源阻抗，及其電源尖峰幅度。去耦電容應(yīng)靠近（理想情況是緊靠）這些引腳及其對(duì)應(yīng)接地引腳放置。

REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA、REFCAPB引腳的去耦電容是攸關(guān)性能的重要電容，應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的AD7606引腳。可能的話，應(yīng)將這些電容放在電路板上與AD7606器件相同的一側(cè)。圖3顯示AD7606電路板頂層的建議去耦配置。所示的四個(gè)陶瓷電容是 REFIN/REFOUT引腳、REGCAP引腳、REFCAPA引腳和REFCAPB引腳的去耦電容。這些電容沿南北方向放置，以便盡可能靠近相應(yīng)的引腳。

圖3. 頂層去耦，顯示了兩個(gè)REFCAPA引腳、REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA/B引腳的去耦電容

圖4顯示底層去耦配置，它用于四個(gè)AVCC引腳和VDRIVE引腳的去耦。使用多個(gè)過孔將引腳與其相應(yīng)的去耦電容相連。AD7606器件周圍去耦電容的對(duì)稱布局有利于器件間的性能匹配。多個(gè)過孔用來將電容焊盤和引腳焊盤接地及接到電壓平面和基準(zhǔn)電壓走線。

基于16位8通道DAS AD7606的可擴(kuò)展多通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的布局考慮 (CN0148)

圖4. 底層去耦，顯示了四個(gè)AVCC引腳和VDRIVE引腳的去耦電容

16通道系統(tǒng)的通道間匹配

在高通道數(shù)系統(tǒng)中，良好的通道間和器件間性能匹配可以大大簡(jiǎn)化校準(zhǔn)程序。AD7606器件、模擬輸入通道和去耦電容的對(duì)稱布局有助于多個(gè)器件之間的性能匹配。使用公共系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓將能進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的匹配性能。圖5顯示所有輸入接地時(shí)，用于測(cè)量板上16個(gè)通道之間性能匹配的電路配置。還有最多7個(gè)碼的分布直方圖，各通道直方圖的中心為碼0，如圖6所示。

基于16位8通道DAS AD7606的可擴(kuò)展多通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的布局考慮 (CN0148)

圖5. 用于測(cè)試16通道系統(tǒng)通道間匹配的電路示意圖，該系統(tǒng)采用兩個(gè)AD7606和外部基準(zhǔn)電壓源ADR421，所有輸入接地

圖6. 圖5所示電路的直方圖，顯示了使用外部基準(zhǔn)電壓源ADR421的16通道系統(tǒng)的通道間匹配性能

AD7606內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源

AD7606內(nèi)置一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)過內(nèi)部放大，它可以為AD7606 ADC提供約4.5 V的緩沖基準(zhǔn)電壓。在通道間和器件間匹配性能至關(guān)重要的高通道數(shù)應(yīng)用中，可以用一個(gè)AD7606的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為另一個(gè)AD7606器件提供基準(zhǔn)電壓。在此配置中，U1配置為在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓下工作，如圖7所示。

圖7. 用于測(cè)試一個(gè)AD7606通道間匹配的電路示意圖，使用U1內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源

AD7606 U2器件可配置為在外部基準(zhǔn)電壓源模式下工作。U1 REFIN/RFOUT引腳提供的2.5 V基準(zhǔn)電壓路由至U2的REFIN/REFOUT引腳。一個(gè)10 μF去耦電容位于AD7606器件的REFIN/REFOUT引腳。在AD7606 U1和U2上，REFCAPA和REFCAPB引腳短接在一起，并通過一個(gè)10 μF陶瓷電容去耦至GND。

兩個(gè)AD7606器件均以200 kSPS的采樣速率工作，一個(gè)7.5 V直流信號(hào)施加于U1的V1和V2，如圖7所示。碼的直方圖如圖8所示。在同一器件的通道之間，平均輸出碼相差1.2個(gè)碼。板上的所有16個(gè)通道以200 kSPS速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖8. 圖7所示電路的直方圖

7.5 V信號(hào)施加于U1的V1和U2的V1，板上的所有16個(gè)通道以200 kSPS速率工作，如圖9的配置電路示意圖所示。碼的直方圖如圖10所示。在不同器件的V1通道之間，平均輸出碼相差1.4個(gè)碼。

圖9. 用于測(cè)試兩個(gè)AD7606之間器件間匹配的電路示意圖，U1內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源

圖10. 圖9所示電路的直方圖

將一個(gè)AD7606的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源時(shí)，以上直方圖顯示，一個(gè)AD7606器件的通道之間以及多個(gè)器件的通道之間都具有非常好的匹配性能。

絕對(duì)精度

除了通道間匹配和器件間匹配外，如果ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的絕對(duì)精度也非常重要，則應(yīng)使用外部小容差、低漂移基準(zhǔn)電壓源作為系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。在該電路中，ADR421 2.5 V基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。

施加于AD7606器件的基準(zhǔn)電壓會(huì)影響ADC輸出碼：

實(shí)際理想碼的值會(huì)因溫度而不同，具體取決于系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)特性。在絕對(duì)精度非常重要的應(yīng)用中，或者在希望避免通過復(fù)雜的溫度校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)精度和通道匹配的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)使用ADR421等小容差、低漂移2.5 V基準(zhǔn)電壓源作為AD7606器件的系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。

7.5 V直流電壓施加于U1的輸入（V1和V2），如圖11的電路所示，并使用外部基準(zhǔn)電壓源。U1的兩個(gè)通道的碼直方圖如圖12所示。兩個(gè)通道的碼直方圖平均值相差0.9 LSB。

圖11. 用于測(cè)試一個(gè)AD7607通道間匹配的電路示意圖，使用外部基準(zhǔn)電壓源

圖12. 圖11所示電路的直方圖

在用于測(cè)試器件間匹配的圖13所示電路中，7.5 V直流信號(hào)施加于U1和U2 AD7606器件的V1通道，并使用外部基準(zhǔn)電壓源。兩個(gè)AD7606器件的兩個(gè)V1通道的碼直方圖如圖14所示。板上的所有16個(gè)通道以200 kSPS吞吐速率工作。U1和U2的V1通道之間的碼直方圖平均值相差0.6 LSB。

圖13. 用于測(cè)試兩個(gè)AD7606器件間匹配的電路示意圖，使用外部基準(zhǔn)電壓源

圖14. 圖13所示電路的直方圖

以上直方圖顯示，采用ADR421外部系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源時(shí)，一個(gè)AD7606器件的直方圖平均值間匹配和多個(gè)AD7606器件的直方圖平均值間匹配均小于1 LSB。

結(jié)論

本布局能夠確保通過一個(gè)AD7606實(shí)現(xiàn)通道間良好匹配性能，并且同一PC板上的多個(gè)AD7606之間也具有良好的器件間匹配性能。AD7606器件的對(duì)稱布局，特別是去耦電容將有助于實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配和器件間匹配。在高通道數(shù)系統(tǒng)中，良好的通道間和器件間性能匹配意味著校準(zhǔn)程序得以簡(jiǎn)化。