搞定電路設(shè)計之高精度、寬帶寬電流測量信號鏈

為數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、便攜式、可穿戴和其他計算應(yīng)用設(shè)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(shù)十個或數(shù)百個中央處理單元(CPU)、圖形處理單元 (GPU)、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲硬件和各種支持電路。為了響應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)需求，這些電路可能在幾微秒內(nèi)從消耗數(shù)微安電流的空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到消耗數(shù)百安培電流的滿載狀態(tài)。

自動測試設(shè)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(yīng)用。精度、帶寬和漂移性能與適用于生產(chǎn)測試環(huán)境的臺式和機架安裝式測試設(shè)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(yīng)用中。當對快速瞬變和小信號電平進行數(shù)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(yīng)所執(zhí)行的特定測量，可以應(yīng)用額外的過采樣來權(quán)衡噪聲和帶寬。

圖1 ADI EVAL-CN0560-FMCZ簡化功能框圖

評估和設(shè)計支持

■   電路評估板

■   CN0560參考設(shè)計板(EVAL-CN0560-FMCZ)

■   SDP-H1開發(fā)平臺(EVAL-SDP-H1)

■   設(shè)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(shù)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(shè)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(shù)包含分流電阻、模擬前端(AFE)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，然后是微控制器或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。CN0560提供寬帶寬前端，并將分流電阻上產(chǎn)生的小差分電壓轉(zhuǎn)換為較大電壓來饋送，然后將其數(shù)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(fù)用器ADG5209來選擇（通過A0、A1）；根據(jù)板載跳線的配置方式，可以手動或通過軟件進行設(shè)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(shè)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(chǎn)生的差分電壓。通過每個分流電阻的電流產(chǎn)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。

表1 電流量程選擇

圖2 簡化評估測試設(shè)置，10μA范圍

將每個分流電阻上的電壓讀數(shù)與μModule輸出端的實際電壓讀數(shù)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(shù)(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(fù)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(chǎn)生額外的電流，受100Ω電阻的限制。

●   增益級

在選定多路復(fù)用器輸入之后有兩個低噪聲、高速放大器 ADA4898-1，以及驅(qū)動ADAQ23878信號鏈μModule的四通道精密匹配電阻網(wǎng)絡(luò)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(shè)置電阻將兩個ADA4898-1放大器設(shè)置為增益40的全差分配置。40倍增益在ADAQ23878的輸入端產(chǎn)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(shù)字化前端

圖1中的一個關(guān)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(xiàn)優(yōu)化性能所需的關(guān)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(shù)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(shè)備相關(guān)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(guān)的高成本。

FDA周圍的精密電阻陣列采用ADI專有的iPassives^?技術(shù)構(gòu)建。這消除了電路不平衡，減少了寄生效應(yīng)，提供高達0.005%的出色增益匹配，并實現(xiàn)了0.13ppm/°C的優(yōu)化漂移性能。與分立無源元件相比，iPassives技術(shù)還有尺寸優(yōu)勢，可最大限度地減少與溫度相關(guān)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(diào)節(jié)，支持全差分或單端轉(zhuǎn)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(jié)合，可降低噪聲并支持過采樣，以實現(xiàn)極低的RMS噪聲并在寬帶寬內(nèi)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(yīng)用的帶寬低于7.5MSPS，因此可以應(yīng)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(quán)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(yīng)：

■   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(shù)。

■   ADC噪聲分布在寬得多的帶寬上，帶內(nèi)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。可用信號帶寬為，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(yīng)以數(shù)字低通濾波器的響應(yīng)為主，該響應(yīng)在整個溫度范圍內(nèi)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(shù)字濾波器會將輸出數(shù)據(jù)抽取到較低的速率，從而降低數(shù)據(jù)處理要求。例如，級聯(lián)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(shù)據(jù)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(chǎn)生58.594kSPS (15MSPS/256)的輸出數(shù)據(jù)速率。對于不同增益選項，這對應(yīng)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(qū)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(qū)動ADAQ23878的低輸入阻抗，并實現(xiàn)優(yōu)化性能。

●   基準電壓

ADAQ23878內(nèi)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(yīng)用中，REF或REFBUF都可以過驅(qū)。CN0560包括從板載2.048V ADR4520過驅(qū)REF的選項，其初始精度為0.025%，漂移為2ppm/°C?；蛘撸遢dLTC6655可以過驅(qū)REFBUF，其初始精度為0.025%（最大值），溫度系數(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)設(shè)計工具LTpowerPlanner?設(shè)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(zhuǎn)換器從3.3V電源軌產(chǎn)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(chǎn)生+5V和+6.5V電壓軌，而ADP7185超低噪聲LDO從-2.5V產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生+15V和-15V電壓軌。低噪聲LDO ADP7118為ADR4520生成+2.5V電壓軌，以產(chǎn)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(xiàn)最佳性能至關(guān)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(nèi)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(yīng)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(xiàn)了最優(yōu)檢測布局。對于阻值非常低的電阻（5mΩ或更?。副P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(yīng)有干凈的內(nèi)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(xiàn)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(shù)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(guān)信號（比如CNV±或CLK±）以及數(shù)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(yīng)添加至少2.2μF (X5R)的優(yōu)質(zhì)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(chǎn)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(qū)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(shù)據(jù)采集，并使用分析、控制、評估(ACE)軟件采集時域和頻域數(shù)據(jù)。有關(guān)測試設(shè)置的完整詳細信息，請參閱EVAL-CN0560-FMCZ用戶指南。

●   設(shè)備要求

■   EVAL-CN0560-FMCZ

■   電流源

■   EVAL-SDP-CH1Z

■   數(shù)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(qū)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?shù)牟僮髟O(shè)置正確設(shè)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(fù)位開關(guān)。

●   測量

圖10顯示積分線性度(INL)數(shù)據(jù)在+/-2.5LSB以內(nèi)，該數(shù)據(jù)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(shè)置為10mA和10μA。

圖10 10mA和10μA范圍的INL數(shù)據(jù)

圖11顯示了三個電流量程的動態(tài)范圍。用戶可以在數(shù)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(guān)系

圖12所示曲線的Y軸表示計算得出的理想電壓，對應(yīng)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(guān)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(shù)據(jù)。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(guān)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(shù)據(jù)手冊和評估板

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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(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應(yīng)當采取適當?shù)腅SD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(shè)計構(gòu)建。每個電路的設(shè)計和構(gòu)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。

Circuits from the Lab電路僅供與ADI產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(chǎn)權(quán)歸ADI或其授權(quán)方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過此參考電路的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其它知識產(chǎn)權(quán)。ADI確信其所提供的信息是準確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途實用性的暗示承諾，ADI無需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負責。ADI有權(quán)隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。