高精度ADC回路を設計します（PSD信号用の差動ADC LTC2348の例）

Aug 17 2020

コンテキスト：PSDフロントエンドの3つのアナログ出力（シングルエンド）を高精度で取得するためのLTC2348を含むボードを製造に送ろうとしています。3つの信号は、Xdiff（X変位に比例、+ / -10V）、Ydiff（Yでも同じ）、Sum（0-10V、[Xdiff、Ydiff]ベクトルの縮小ノルム）（100Hz帯域幅）です。それらは同時に取得する必要があります。各チャンネルで300uVのピーク精度を目指しているので注意が必要ですよね？

以下の設計の説明を確認して、何を改善する必要があるかを教えてください。特に接地には疑問があります。

シグナルコンディショニング：私のPCBには3つのSMAコネクタがあり、それぞれにローカルアナロググランドを基準とした1.5kHzカットオフのサイズのパッシブ1次RCフィルタ（RはPSDフロントエンド出力インピーダンス）があり、フィルタの出力は低電圧でバッファリングされますバイアス電流補償を備えたユニティゲイン非反転構成のオフセット電圧高精度オペアンプ-OP1177。+/- 15V電源から10Vで600オームを処理できるこれらの仕様の多くは見つかりませんでした（16mAがVdropoutグラフから外れているため、これが実際に機能するかどうかは完全にはわかりませんが、外挿はそれが可能であると言っているようです？）。フィードバック抵抗の両端にさらに220nFのキャップを追加する必要があるかどうかわかりません。

取得：次に、バッファの出力は、アナロググランドに対して、差動の真のバイポーラADC（ここではLTC2348-16）の入力に送られます。

接地方式：バッファとADCの両方に、アナログ接地に対して+/- 15Vが供給されます。私が確認したところ、通常、システムのすべてのPSUは分離されているため、アナロググランドはループのない相互接続された複数のグランドの中心にある必要があります。

レイアウト：すべての信号（グラウンドを含む）をルーティングして、信号間のパスが最短で最小になるようにし、信号の近くに戻り、上下両側に2つのアナロググランドプレーンを追加しました。これは、平面のある概要と、平面のない青色で強調表示されたいくつかの重要な信号の概要です。

uCからの実際の制御では、CNVラインで1usパルスを送信して変換（600Hz周波数）を開始し、BUSYがローになるのを待ってから、最後に標準のSPI転送を開始します。最初の3つのパケットを収集するまで。このデバイスは、SPIライン上にある唯一のデバイスです。

質問：

回路図でもレイアウトでも、変更する必要のある問題はありますか？これは、ボードが要件を満たしていることを確認するためです。
私が考えなかった他の良い習慣は何ですか？これは、アナログ回路の理解を深めるためです。

ADCデータシートの真のバイポーラ入力アーキテクチャを実装してみました。あるいは、LTC1469をシングルエンドからディファレンシャルに変換する方法として使用することもお勧めしますが、それがはるかに優れていると思う場合は、なぜここで精度が向上するのかわかりません（説明したフィルタリングは600オームではうまくいきません）凛）。

それ以外の場合、同じアーキテクチャの場合、全体的なパフォーマンスが低下しても、LT1468は負荷をより適切に処理できますか？

回答

2 VoltageSpike Aug 25 2020 at 18:11

回路図でもレイアウトでも、変更する必要のある問題はありますか？これは、ボードが要件を満たしていることを確認するためです。

センサーが見えず、シールド回路図全体が表示されていない可能性があります。しかし、シールドをADC入力に結び付けるのは少し珍しいことです。通常、シールドは、電流をグランドに分流し、敏感なアナログ信号から遠ざけるために使用されます。シールドをADCの負のアナログ入力に結び付けることは、減算を取得する試みであると思います。信号側のみのフィルタ付きコモンモード減算

シールドに結合している電界はすべてグランドにシャントする必要があります。ESDがシールドに衝突した場合、ADCに向けられる可能性はわずかですが、これはADCには適していません。シールドをグランドに接続し、シールドをグランドに接続するための最低インピーダンス経路を作成することをお勧めします（シールドに基準電圧がない限り、PCBからは答えはノーだと思います）。

設計が成功すると、接地電流と戻り電流を視覚化して管理することになります。グラウンドがゼロボルトになることはありません。これは、uVレベルに近づくときに必要な概念です。ケーブルの抵抗範囲は100mΩから10mΩです。100mΩの接地システムがあり、3mVのスイッチング負荷があるとしましょう\$ V = IR \$だから\$ 3mA*100m\Omega = 300uV\$

十分な接地がないと、3mAを超えるスイッチング負荷が見られます。

または\$ 3mA*10m\Omega = 30uV\$

したがって、接地システム（ケーブルコネクタ）の抵抗を下げることにより、負荷を切り替えることによるコモンモード電圧ノイズを低減します。

サブミリボルト範囲の幸せなアナログシステムは、アナログサブシステムの地上システムにスイッチング負荷がほとんどまたはまったくないシステムです。これは、レギュレータ、特にリファレンスをADCの近くに配置することも意味します（グランドピンが何であれ、電圧をレギュレートするため、グランドがシフトしている場合でも、ADCと電圧リファレンスがそれを認識していれば問題は発生しません）

接地に関しては、ADCからプロセッサに直接デジタルラインを実行している場合はグランドループがあります。可能であれば、2つのセクション間でデジタルアイソレータを使用すると、特にモーターボードの負荷が変化する場合に適しています（プロセッサはそれ自体で変化する負荷です）。接地点が、接地システムの電圧に電位差があることを示した点で2つのボードの間にある場合、電流が発生します。したがって、分離するのが最善です。また、絶縁されているため、レールの電圧レギュレータもADCの隣に配置されていることを確認してください。電源からアナログサブシステムを駆動する場合は、電源のリップルとそれがアナログサブシステムにどのように影響するかを確認してください。電源からのリップルやノイズを処理するには、電圧レギュレータを使用するのが最適です。オペアンプ（およびADC）のPSRRは、信号に入る電源ノイズの量を決定します。

300uVよりも優れた性能を発揮したい場合は、グランドプレーンにアナログセクションを流れる電流がないことを確認してください（青い線のように）。シールドからの電流がグランドに戻ることを確認してください。このゾーンにリターン電流がない状態を維持すると言うとき、ADCセクションにリターン電流を送り返す負荷はありません（電流は実際にはグランドプレーンに広がり、次に最低インピーダンス（DCでの抵抗）のパスをたどります）ソース（電源）に戻ります。たとえば、C35のビアが10mA以上の変化電流をダンプし、電源入力がJ19にあるとします。10mAの電流はJ19とグランドピンに向かって流れます。（およびグランドピンのキャップ）は、グランドが上下にシフトするのを確認しますが、これは望ましくありません。

センサーが接地されていると、問題が発生し、接地ループが発生します（SMA_CHxが接続されているものは何でも）。

それ以外は、デザインをもっと見ないとコメントできません。

アナログサブシステムの周波数範囲がDC〜600Hzの場合は、必ず600Hzまたはその近くのADCにローパスフィルターを配置してください。フィルタはノイズを低減し、キャップはデジタルでフィルタリングするよりもはるかに簡単にデザインに追加できます。