為數據處理、網絡、便攜式、可穿戴和其他計算應用設計并優(yōu)化電源解決方案，需要對電壓和電流進行精確、寬帶、高動態(tài)范圍的測量。這些系統(tǒng)可能包含一個、數十個或數百個中央處理單元(CPU)、圖形處理單元 (GPU)、網絡接口、存儲硬件和各種支持電路。為了響應不斷變化的系統(tǒng)需求，這些電路可能在幾微秒內從消耗數微安電流的空閑狀態(tài)轉換到消耗數百安培電流的滿載狀態(tài)。
自動測試設備(ATE)測試解決方案和功率分析儀通常使用多個通道來精確捕獲電流、電壓或功率曲線，并在更寬帶寬上測量諧波。此外，低壓電源軌具有嚴格的噪聲要求，必須在不同的負載條件、溫度下進行表征，并考慮旁路電容隨時間的退化。
圖1所示ADI電路提供了一個完整的寬范圍電流測量系統(tǒng)，適合這些具有挑戰(zhàn)性的應用。精度、帶寬和漂移性能與適用于生產測試環(huán)境的臺式和機架安裝式測試設備處于同一水平。同時，該解決方案足夠小，可以集成到這些需要持續(xù)監(jiān)控的應用中。當對快速瞬變和小信號電平進行數字化處理時，15MSPS的采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求并最大限度地提高了帶寬。為了適應所執(zhí)行的特定測量，可以應用額外的過采樣來權衡噪聲和帶寬。
圖1.ADI EVAL-CN0560-FMCZ簡化功能框圖
評估和設計支持
? 電路評估板
? CN0560參考設計板(EVAL-CN0560-FMCZ)
? SDP-H1開發(fā)平臺(EVAL-SDP-H1)
? 設計和集成文件
? 原理圖、布局文件、物料清單
電路描述
ADI CN0560使用分流電阻、板載放大器和μModule®的組合提供三個電流量程的高精度測量。盡管有尺寸限制，該解決方案不僅增加了每片電路板的通道數量，緩解了熱挑戰(zhàn)，減輕了自熱引起的系統(tǒng)漂移校準負擔，而且優(yōu)化了整體精度性能。CN0560非常適合于自動化測試設備、電源(如CPU/GPU供電軌中)監(jiān)控和分析儀中使用的測試儀器。
最常見的電流測量技術包含分流電阻、模擬前端(AFE)和模數轉換器 (ADC)，然后是微控制器或現場可編程門陣列(FPGA)。CN0560提供寬帶寬前端，并將分流電阻上產生的小差分電壓轉換為較大電壓來饋送，然后將其數字化。
● 電流輸入
CN0560能夠測量三種電流輸入范圍：10μA、10mA和10A。電流輸入范圍通過控制高電壓、防閂鎖、低毛刺、快速建立的多路復用器ADG5209來選擇(通過A0、A1);根據板載跳線的配置方式，可以手動或通過軟件進行設置。表1顯示了每個電流量程的跳線配置。圖2顯示了10μA電流量程的簡化CN0560評估設置。
施加來自電流源的10μA、10mA和10A已知電流，使用萬用表通過電壓檢測墊測量每個分流電阻(0.05Ω、5Ω和5kΩ)上產生的差分電壓。通過每個分流電阻的電流產生50mV的最大電壓降。該電壓由ADA4898-1 放大器(默認增益為40)放大，然后饋入ADAQ23878 μModule®的差分輸入。
圖2.簡化評估測試設置，10μA范圍
將每個分流電阻上的電壓讀數與μModule輸出端的實際電壓讀數進行比較。該電路的整體精度受多個誤差源影響，包括分流器、放大器和μModule的電阻溫度系數(TCR)，以及電流源或萬用表本身的精度。然而，分流電阻的選擇在決定該電路的精度方面起著主導作用。圖3和圖4顯示了分流電阻對CN0560的影響。
圖3.CN0560 FFT，無過采樣(使用分流電阻)
圖4.CN0560 FFT，OSR為256(使用分流電阻)
● 輸入保護
36V雙向瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管和100Ω電阻保護分流器輸入，使其免受靜電放電(ESD)沖擊和過壓狀況的影響。多路復用器輸入可直接承受高達+/-15V的輸入電壓;高于此的電壓會產生額外的電流，受100Ω電阻的限制。
● 增益級
在選定多路復用器輸入之后有兩個低噪聲、高速放大器 ADA4898-1，以及驅動ADAQ23878信號鏈μModule的四通道精密匹配電阻網絡LT5400。LT5400-7提供0.2ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度范圍很寬，CMRR優(yōu)于獨立匹配電阻。默認情況下，使用外部增益設置電阻將兩個ADA4898-1放大器設置為增益40的全差分配置。40倍增益在ADAQ23878的輸入端產生2.0V的滿量程電壓，當ADAQ23878配置為+/-2.048V范圍時，SNR得以最大化。
● 數字化前端
圖1中的一個關鍵模塊是ADAQ23878 μModule，它包括一個低噪聲、全差分放大器(FDA)、一個穩(wěn)定的基準電壓緩沖器、一個15MSPS 18位逐次逼近型ADC，以及實現優(yōu)化性能所需的關鍵無源元件。
ADAQ23878 μModule是一種系統(tǒng)級封裝(SiP)解決方案，可提供精密性能，減少終端系統(tǒng)元件數量，并在電路板空間約束下提高通道密度。它還緩解了與電流測量測試設備相關的校準負擔和熱挑戰(zhàn)，但沒有與高集成度專用集成電路(ASIC)相關的高成本。
FDA周圍的精密電阻陣列采用ADI專有的iPassives®技術構建。這消除了電路不平衡，減少了寄生效應，提供高達0.005%的出色增益匹配，并實現了0.13ppm/°C的優(yōu)化漂移性能。與分立無源元件相比，iPassives技術還有尺寸優(yōu)勢，可最大限度地減少與溫度相關的誤差源并減輕系統(tǒng)級校準負擔。
FDA提供快速建立時間、寬共模輸入范圍以及精確的可配置增益選項(0.37、0.73、0.87、1.38和2.25)，允許進行增益或衰減調節(jié)，支持全差分或單端轉差分輸入。
● 過采樣和抗混疊
ADAQ23878的高精度性能與高采樣速率相結合，可降低噪聲并支持過采樣，以實現極低的RMS噪聲并在寬帶寬內檢測小幅度信號。
使用4.096V基準電壓并在輸入短接地的情況下進行測量，ADAQ23878的典型動態(tài)范圍約為89dB，如圖5所示。由于許多電流測量應用的帶寬低于7.5MSPS，因此可以應用過采樣來提高動態(tài)范圍。
圖5.無過采樣的FFT(輸入短路)
過采樣是指以比兩倍信號帶寬(滿足奈奎斯特標準所必需)快得多的速度進行采樣。以兩倍信號帶寬采樣時，模擬抗混疊濾波器存在嚴格的限制，因為任何高于
的噪聲或干擾音都會混疊進入通帶?；殳B的傳統(tǒng)解決方案是使用高階濾波器，但這需要權衡精度、通帶紋波、阻帶抑制、群延遲和功耗。低采樣率還將ADC的所有量化和熱噪聲集中在信號頻帶中。過采樣有兩方面效應：
? 模擬抗混疊濾波器可能有更高的截止頻率和/或更低的階數。
? ADC噪聲分布在寬得多的帶寬上，帶內噪聲得以降低。
圖6.過采樣對抗混疊濾波器要求的影響
圖6說明了過采樣的影響?？捎眯盘枎挒?
，模擬濾波器的截止頻率可以提高到
。信號通帶遠低于模擬濾波器的過渡帶，從而將通帶紋波的影響降至最低。信號通帶響應以數字低通濾波器的響應為主，該響應在整個溫度范圍內具有確定性和穩(wěn)定性，并且對元件容差不敏感(與模擬濾波器不同)。大部分數字濾波器會將輸出數據抽取到較低的速率，從而降低數據處理要求。例如，級聯積分梳狀(CIC)濾波器輸出的抽取因子等于OSR。
過采樣帶來的動態(tài)范圍(DR)改善幅度可以使用公式1計算。
其中：OSR為過采樣數據速率。
過采樣每增加4倍，分辨率就會增加1位，或者動態(tài)范圍增加6dB。對ADAQ23878的輸出進行256倍的過采樣會產生58.594kSPS (15MSPS/256)的輸出數據速率。對于不同增益選項，這對應于29.297kHz的信號帶寬和接近111dB的動態(tài)范圍，因此它能精確檢測幅度非常小的μV信號，如圖7所示。
圖7.OSR為256的FFT(輸入短路)
● 差分驅動ADAQ23878
選擇ADA4898-1前端放大器是因為它具有寬帶寬、高壓擺率、低噪聲或失真特性。它還能以15MSPS的全速輕松驅動ADAQ23878的低輸入阻抗，并實現優(yōu)化性能。
● 基準電壓
ADAQ23878內置一個2.048V、20ppm/°C基準電壓源(REF)和一個基準電壓緩沖器(REFBUF)，后者相對于REF具有2倍的固定增益?；鶞孰妷壕彌_器的4.096V輸出決定了ADAQ23878的滿量程輸入范圍。
在需要較低漂移的應用中，REF或REFBUF都可以過驅。CN0560包括從板載2.048V ADR4520過驅REF的選項，其初始精度為0.025%，漂移為2ppm/°C?；蛘?，板載LTC6655可以過驅REFBUF，其初始精度為0.025%(最大值)，溫度系數為2ppm/°C(最大值)。
● 電源樹
EVAL-CN0560-FMCZ使用帶有FPGA夾層卡(FMC)連接器的FPGA控制器板進行數據采集。板上的所有電源軌均由源自控制器板的3.3V電壓軌生成。電源樹是利用系統(tǒng)級電源架構設計工具LTpowerPlanner®設計的。
圖8顯示了CN0560電源樹的框圖。兩個LTM8049雙通道SEPIC或反相μModule DC/DC轉換器從3.3V電源軌產生+7V、-2.5V、+15.5V 和 -15.5V電壓軌。LT3023雙通道、低噪聲、微功耗LDO從 +7V產生+5V和+6.5V電壓軌，而ADP7185超低噪聲LDO從-2.5V產生-2V電壓軌。
+6.5V和-2V電壓軌用于ADAQ23878的集成FDA，而+5V電壓軌用于LTC6655以產生4.096V基準電壓。來自第二LTM8049的+15.5V和-15.5V兩個電壓軌被饋送到LT3032雙通道LDO，為ADA4898-1和ADG5209產生+15V和-15V電壓軌。低噪聲LDO ADP7118為ADR4520生成+2.5V電壓軌，以產生2.048V基準電壓。CN0560的總功耗約為910mW，不包括分流電阻的功耗。
圖8.電源簡化框圖
● PCB布局布線
印刷電路板(PCB)布局對于保持信號完整性和實現最佳性能至關重要。圖9顯示了CN0560板信號鏈部分的PCB布局。此電路板布局使用內置開爾文連接的四端子分流電阻，與兩端子分流電阻相比，它能降低TCR效應并提供更高的溫度穩(wěn)定性。
必須使用帶開爾文連接的四端子電流檢測電阻，將流過分流電阻的高電流保持在檢測路徑之外。流過電阻的高電流和電壓測量分別有單獨的終端，這有助于最大限度地提高測量精度。
為每個校準電流都實現了最優(yōu)檢測布局。對于阻值非常低的電阻(5mΩ或更小)，焊盤上檢測點的物理位置和流過電阻的電流的對稱性更為重要。例如，具有開爾文連接的四端子高精度金屬箔電阻(5mΩ)用于10A電流量程。該電阻的TCR為± 0.05ppm/°C，容差為0.1%，尺寸非常小(<10mm x 10mm)，因此沿焊盤的每毫米電阻都會影響有效電阻。
圖9.信號鏈的PCB布局
建議使用多層板，ADAQ23878 μModule下方第一層中應有干凈的內部接地層。電路板上的各個元件和各種信號的布線也必須小心放置。此外，輸入和輸出信號的布線最好對稱。
μModule的接地引腳必須使用多個過孔直接焊接到PCB的接地層。此外，必須移除μModule輸入和輸出引腳下方的接地層和電源層，以避免出現干擾寄生電容。任何干擾寄生電容都可能影響信號鏈的失真和線性度性能。敏感的模擬部分和數字部分必須在PCB上分開，同時使電源電路遠離模擬信號路徑?？焖匍_關信號(比如CNV±或CLK±)以及數字輸出DA±和DB±不得靠近或越過模擬信號路徑，以防噪聲耦合到μModule。
板載LDO的輸出端應添加至少2.2μF (X5R)的優(yōu)質陶瓷旁路電容，以最大限度地降低電磁干擾(EMI)敏感度，并減少毛刺對電源線的影響。所有其他必需的旁路電容都包含在ADAQ23878中，從而節(jié)省電路板空間并降低成本。
常見變化
具有+2倍固定增益的ADAQ23875和具有與ADAQ23878類似增益選項的ADAQ23876是引腳兼容的16位、15MSPS、低壓差分信號(LVDS)接口信號鏈μModule，可替代ADAQ23878。
低噪聲JFET放大器ADA4627-1是ADA4898-1的引腳兼容替代產品，性能相差不大。請注意，由于帶寬較低，ADA4627-1可能無法以15MSPS的全速驅動ADAQ23878。
電路評估與測試
EVAL-CN0560-FMCZ使用SDP-H1控制板支持高精度數據采集，并使用分析、控制、評估(ACE)軟件采集時域和頻域數據。有關測試設置的完整詳細信息，請參閱EVAL-CN0560-FMCZ用戶指南。
● 設備要求
? EVAL-CN0560-FMCZ
? 電流源
? EVAL-SDP-CH1Z
? 數字萬用表
? 評估軟件
● 開始使用
1.使用EVAL-CN0560-FMCZ板之前，請先下載ACE軟件和SDP-H1驅動程序并將其安裝到PC。
2.將EVAL-CN0560-FMCZ和SDP-H1板連接到 PC。
3.啟動ACE軟件。
4.使用適當的操作設置正確設置多個跳線選項，然后將電源和信號施加到EVAL-CN0560-FMCZ。請注意，EVAL-CN0560-FMCZ板不需要外部電源適配器，它通過160引腳FMC連接器從SDP-H1板獲取電源。
5.斷開EVAL-CN0560-FMCZ與SDP-H1板的連接之前，請先斷開SDP-H1板的電源或撥動mini USB端口附近的復位開關。
● 測量
圖10顯示積分線性度(INL)數據在+/-2.5LSB以內，該數據是使用此板捕獲的，運行速度為15MSPS，增益為1.38，ADAQ23878前端分別設置為10mA和10μA。
圖10.10mA和10μA范圍的INL數據
圖11顯示了三個電流量程的動態(tài)范圍。用戶可以在數字域中進行過采樣或平均，以改善噪聲性能，并針對目標帶寬精確捕獲小幅度信號，放寬對抗混疊濾波器的要求。
圖11.動態(tài)范圍與ADAQ23878增益的關系
圖12所示曲線的Y軸表示計算得出的理想電壓，對應的是μModule的輸出電壓，其中輸入電流從1mA上升到10mA，增益分別為0.87和1.38。
圖12.信號鏈輸出電壓與輸入電流的關系
圖13顯示了未校準信號鏈的理想輸出電壓誤差與實測輸出電壓誤差，可以看到精度為0.01%，使用的是圖10中收集的數據。增益誤差主要取決于±0.1%容差的電流檢測電阻。
圖13. μModule輸出電壓誤差與輸入電流的關系(未校準)
更多資料
- O'Sullivan, Marcus.改進低值分流電阻的焊盤布局，優(yōu)化高電流檢測精度。《模擬對話》46-06，2012年6月。
- Pachchigar，Maithil。利用過采樣提高SAR ADC的動態(tài)范圍。Analog.com
- Mark Thoren和Sal Afzal。了解電源監(jiān)控精度。Analog.com
- μModule LGA和BGA封裝考慮和裝配說明。Analog.com
數據手冊和評估板
CN0560電路評估板、ADAQ23878數據手冊、ADAQ23878評估板、ADA4898-1數據手冊、ADA4898-1評估板、LT5400數據手冊、LTM8049數據手冊、LTM8049評估板、LT3023數據手冊、LT3023評估板、LT3032數據手冊、LT3032評估板、ADP7185數據手冊、ADP7185評估板、ADP7118數據手冊、ADP7118評估板、AD8421數據手冊、AD8421評估板、ADG5209數據手冊、ADG5209評估板LTC6655數據手冊、LTC6655評估板、ADR4520數據手冊
ESD警告
ESD(靜電放電)敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產品具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
ADI的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和檢驗。不過，您需負責自行測試電路，并確定其是否適用。因而，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。
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