Analizar y resolver los problemas de espuelas de frecuencia fija en las cadenas de señales de los ADC de alta precisión

Introducción

Los actuales ADCs SAR de alta resolución y los ADCs Σ-Δ ofrecen alta resolución y bajo ruido, pero los diseñadores de sistemas pueden tener dificultades para alcanzar el rendimiento SNR de la hoja de datos nominal. Puede ser aún más difícil conseguir la SFDR óptima, es decir, un suelo de ruido claro y sin picos en la cadena de señal de su sistema. Las llamaradas pueden ser introducidas por un circuito inadecuado que rodea al ADC o pueden ser el resultado de una interferencia externa que se produce en un entorno de funcionamiento duro.

Este artículo presenta enfoques para determinar las causas fundamentales de los problemas de espurios en las aplicaciones ADC de precisión y alta resolución, y presenta soluciones para resolverlos. Estas técnicas y métodos ayudarán a mejorar la capacidad de CEM y la fiabilidad del sistema final.

En este artículo se tratarán cinco casos diferentes de aplicación de soluciones de diseño específicas para reducir los espolones:

  1. Problemas de espuelas causados por la radiación de la fuente de alimentación de CC a CC de la placa controladora.
  2. Problemas de sobretensión causados por el ruido del adaptador de CA a CC a través de la referencia externa.
  3. Problemas de sobretensión causados por el cable de entrada analógica.
  4. Problemas de sobretensión causados por interferencias acopladas en el cable de entrada analógico.
  5. Problemas de sobrecarga causados por la iluminación de la habitación.

Espuelas y SFDR

Como es sabido, el rango dinámico libre de espurias (SFDR) representa la menor señal de potencia que puede distinguirse de una gran señal espuria. En los ADC de precisión actuales, la SFDR suele estar dominada por el rango dinámico entre una frecuencia fundamental y el segundo o tercer armónico de la frecuencia fundamental correspondiente. Sin embargo, pueden producirse algunas ráfagas que limiten el rendimiento debido a otros aspectos del sistema.

Las bengalas pueden clasificarse en bengalas dependientes de la frecuencia de entrada y bengalas de frecuencia fija. Las llamaradas dependientes de la frecuencia de entrada están relacionadas con el funcionamiento de los armónicos o la no linealidad. Este artículo se centrará en las llamaradas de frecuencia fija que son causadas por las fuentes de alimentación, las referencias externas, la interconexión digital, las interferencias externas, etc. Dependiendo de la aplicación, estas llamaradas pueden ser causadas por varios factores. Dependiendo de la aplicación, este tipo de bengalas puede reducirse o evitarse por completo para conseguir el máximo rendimiento de la cadena de señales.

Problemas de espurios causados por el ruido de la fuente de alimentación DC-to-DC de a bordo

En general, los LDO son la solución sugerida para generar carriles de alimentación de bajo ruido para los ADC de precisión en los sistemas de medición de precisión, debido al mayor ruido de ondulación del regulador de conmutación DC-DC. Los reguladores de conmutación de frecuencia fija o de modulación de anchura de pulso proporcionan una ondulación de conmutación que suele estar a una frecuencia fija que oscila entre decenas de kHz y unos pocos MHz. El ruido en la frecuencia fija puede alimentar los códigos de conversión del ADC a través del mecanismo de la PSRR del ADC.

Algunos diseñadores pueden utilizar controladores de conmutación DC-DC para aplicaciones ADC de precisión debido a la limitación de presupuesto o de espacio en la placa. Tienen que limitar el ruido de ondulación o utilizar ADCs con una alta PSRR para garantizar que el ruido de ondulación sea inferior al ruido de fondo del ADC para conseguir el rendimiento de la cadena de señales. De lo contrario, podrían producirse llamaradas de frecuencia de conmutación en el espectro de salida del ADC, lo que podría degradar el rango dinámico de la cadena de señales.

El AD7616 es un DAS de 16 bits que admite el muestreo simultáneo de 16 canales para la monitorización de la línea eléctrica. Tiene una PSRR muy alta y hará un buen trabajo rechazando/mitigando el rizado de conmutación. Por ejemplo, para el AD7616 se utiliza una fuente de alimentación conmutada de CC a CC con un ruido de ondulación de 100 mV p-p a 100 kHz, un VDC 5 V con un rango de entrada de ±10 V.

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El ruido del código digital causado por el ruido de ondulación es :

Este nivel de ondulación que aparece en la salida del ADC es extremadamente bajo para un convertidor de 16 bits. El alto rendimiento de la PSRR de los ADC permite el uso de reguladores de conmutación en los sistemas de medición de precisión.

Figura 1
Figura 1. AD7616 PSRR en función de la frecuencia de ondulación.

Problemas de sobretensión causados por la radiación de la fuente de alimentación DC-DC

Utilizar un ADC de alta PSRR no garantiza que los reguladores de conmutación no causen problemas en los sistemas de medición de precisión. El ruido de ondulación de los reguladores de conmutación podría alimentar los códigos digitales del ADC de otras maneras.

El AD4003 es un ADC de 18 bits, 2 MSPS, de bajo ruido y bajo consumo, con registro de aproximación sucesiva (SAR) de alta velocidad. Durante las pruebas de rendimiento de CA de la placa de evaluación EVAL-AD4003FMCZ, se encontró una ráfaga con un nivel de unos -115 dBFS a unos 277,5 kHz; la ráfaga y su segundo armónico aparecieron como se muestra en la Figura 2.

Figura 2
Figura 2. Problema de espuela visto en una tarjeta de evaluación EVAL-AD4003FMCZ.

En primer lugar, se confirmó que las fuentes de alimentación del AD4003 no eran la causa de los espolones.

En segundo lugar, se realizaron pruebas para determinar si las llamaradas procedían de la entrada analógica.

  1. Las llamaradas disminuyeron cuando se eliminó el circuito de acondicionamiento de la entrada analógica diferencial.
  2. Los destellos disminuían cuando se insertaba un filtro RC de ancho de banda estrecho (como 1 kΩ, 10 nF) en el extremo delantero del amplificador buffer AD4003, ADA4807-1.

Estos resultados demuestran que el ruido que causa los destellos puede pasar a través del circuito de acondicionamiento y llegar a las entradas analógicas del AD4003. A continuación, se desconectó la salida del sensor y se eliminó el circuito de acondicionamiento, dejando sólo la VREF/2 CM en la entrada no reversible del ADA4807-1. Sin embargo, los espolones se mantuvieron y a un nivel similar.

Entonces se sospechó que la fuente de interferencias estaba en torno a la cadena de señales del EVAL-AD4003FMCZ. Para comprobarlo, se colocó una pantalla de lámina de cobre en varios lugares de la placa EVAL-AD4003FMCZ y de la placa controladora SDP-H1. Se determinó que cuando se colocaba el apantallamiento de lámina de cobre sobre las fuentes de alimentación DC-DC de la placa SDP-H1, como se muestra en la Figura 3, los picos desaparecían. La frecuencia de antorcha de 277,5 kHz corresponde a la frecuencia de conmutación programada del controlador ADP2323. La figura 4 muestra la potencia de la frecuencia de conmutación de VADJ_FMC de 3,3 V captada por la FFT de la GUI de EVAL-AD7616SDZ.

Figura 3
Figura 3. El inductor L5 del VADJ_FMC está cubierto por una pantalla de lámina de cobre.
Figura 4
Figura 4: Ondulación de conmutación de 3,3 V de VADJ_FMC captada por la FFT de la GUI EVAL-AD7616SDZ.

Se llegó a la conclusión de que la interferencia de la frecuencia de conmutación CC-CC procedía del inductor L5 de 8,2 µH. La interferencia se inyectó en la cadena de señales en la entrada del amplificador de amortiguación ADA4807-1, donde luego entró en la entrada analógica del ADC AD4003.

Las posibles soluciones a este problema de sobretensión causado por el convertidor de corriente continua a corriente continua son las siguientes

  1. Utiliza un filtro de paso bajo en el extremo delantero del ADC AD4003 para atenuar las interferencias de frecuencia de conmutación acopladas de CC a CC hasta un nivel que cumpla el objetivo de diseño (es decir, el espolón enterrado en el suelo de ruido) si el ancho de banda de la aplicación lo permite.
  2. Utiliza la nueva placa SDP-H1 (BOM Rev 1.4), que utiliza un inductor blindado para L5. La potencia de interferencia radiada se reduce, por lo que los picos captados en el espectro del ADC AD4003 son mucho menores.
  3. El nivel de tensión VADJ_FMC se puede programar a través de la EEPROM de la placa EVAL-AD4003FMCZ. Se comprobó que utilizando un nivel de tensión más bajo, como 2,5 V para VADJ_FMC, también desaparecían los picos.
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Problemas de picos causados por el acoplamiento de ruido del adaptador AC-DC a través de la referencia externa

Los convertidores analógicos cuantifican una señal analógica en un código digital relativo al nivel de tensión de referencia de CC de los convertidores analógicos. Por lo tanto, el ruido en la entrada de la referencia de CC pasará directamente a los códigos de salida digital del ADC.

El AD7175-2 es un ADC de bajo ruido, de rápida estabilización, multiplexado, de 2/4 canales (completamente/pseudodiferencial) Σ-Δ para entradas de bajo ancho de banda. Durante la prueba de la cadena de señales de la placa de evaluación EVAL-AD7175SDZ, se captó un grupo de picos en torno a los 60 kHz, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5
Figura 5. Problema de espuela como se ve en la tarjeta de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ.

Se evaluaron las fuentes de alimentación y los circuitos de acondicionamiento analógico del AD7175-2 y se comprobó que eran buenos. Sin embargo, como se muestra en la Figura 6, la entrada de referencia de 5 V del AD7175-2 es generada por la referencia del ADR445, que se alimenta con 9 V de corriente continua de un adaptador de corriente continua externo a la placa de evaluación. Posteriormente, se sustituyó el adaptador por un módulo de alimentación de banco de 9 V cc. A continuación, el grupo de bengalas desapareció, dejando sólo una estrecha bengala a 60 kHz.

Figura 6
Figura 6. Se ha observado un problema de espuelas en la tarjeta de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ.
Figura 7
Figura 7. El grupo de espinas retiradas en la tarjeta de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ.

El adaptador AC-DC de 9 V de salida se probó con la interfaz gráfica de usuario FFT de EVAL-AD7616SDZ mientras se suministraba a la placa EVAL-AD7175-2SDZ 320 mA de corriente de salida. La potencia de la frecuencia de conmutación en el pin de alimentación de la referencia ADR445 es de aproximadamente -70 dBFS con un rango de entrada de ±10 V del AD7616, lo que significa 6,325 mV p-p o -64 dBFS con un rango de entrada de ±5 V del AD7175-2.

Figura 8
Figura 8. 3.3 Ondulación de conmutación VADJ_FMC capturada por la FFT de la GUI de EVAL-AD7616SDZ.
Ecuación 2

Este ruido de ondulación de la alimentación alimenta el ADC AD7175-2 y aparece en los códigos digitales con cierta atenuación, como se muestra a continuación:

  1. La hoja de datos del ADR445 especifica una PSRR de 49 dB a 60 kHz.
  2. La impedancia de salida del número de pieza ADR445 es de aproximadamente 4,2 Ω a 60 kHz. Esto se combina con los tapones de tanque de 4,8 µF para proporcionar 18 dB adicionales de atención.
  3. Además, el filtro digital sinc5 + sinc1 del AD7175-2 añade unos -3 dB de atenuación a 60 kHz, cuando la ODR es de 256 kSPS.

Ecuación 3

Este nivel calculado de -134 dBFS está muy cerca del nivel del grupo de picos capturado de -130 dBFS (sin incluir el pico estrecho más alto) que se muestra en la Figura 5. Esto verifica que el grupo de picos está causado por la ondulación de conmutación del adaptador de CA-CC que alimenta la referencia externa del ADR445. El estrecho espolón restante se resolverá en la siguiente sección.

Problemas de espuelas causados por interferencias inyectadas en la cadena de señales

En el sistema de hardware, suele haber una larga cadena de señales entre el sensor de entrada y la entrada de los convertidores de precisión. Esta cadena de señales incluye los cables de conexión, los conectores, el enrutamiento de los cables, los circuitos de escalado y acondicionamiento, los controladores ADC, etc. Existe un alto potencial de que las interferencias externas se inyecten en la cadena de señales de entrada analógica y provoquen un rebasamiento del ADC.

Problemas de sobretensión causados por las interferencias de los cables de alimentación en la cadena de señales

Durante la investigación del pico estrecho que quedaba en la salida espectral de la placa de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ, se observó que en el banco de pruebas estaba funcionando un osciloscopio digital. Como se muestra en la Figura 9, el cable de alimentación de 220 V CA del osciloscopio (el negro) se superponía al cable de entrada analógica de la placa de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ (el gris). Cuando se apagaba el osciloscopio o se alejaba físicamente su cable de alimentación del cable de entrada analógica, la espina estrecha a 60 kHz desaparecía, como se muestra en la Figura 10.

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En el armario del sistema, hay que tener cuidado con el tendido de los cables entre el sensor y la placa DAQ. Es una buena práctica mantener las señales analógicas sensibles de bajo nivel separadas de las líneas eléctricas de alta corriente.

Figura 9
Figura 9. Espuela causada por el cable de alimentación del osciloscopio.
Figura 10
Figura 10. Todos los pines eliminados en la placa de evaluación EVAL-AD7175-2SDZ.

Problemas de espuelas causados por la radiación de las lámparas

Apareció un espolón en el espectro FFT al probar la placa de evaluación EVAL-AD7960FMCZ. Como se muestra en la figura 11, el nivel de espuela era de unos -130 dB a 40 kHz.

La frecuencia de 40 kHz no parece tener ninguna relación con las frecuencias de señal que aparecen en la placa EVAL-AD7960FMCZ y su placa controladora, SDP-H1. La siguiente aproximación para encontrar el origen del espolón fue despejar el banco de pruebas por si algo estaba generando interferencias externas. Cuando se apagó la luz fluorescente de la estantería del banco, el espolón desapareció. Además, se comprobó que cuando la placa EVAL-AD7960FMCZ se acercaba a la luz, el espolón de 40 kHz era mayor. Se colocó un filtro RC adicional (como 1 kΩ, 10 nF) delante del amplificador tampón ADA4899-1 y el espolón disminuyó unos 10 dB. Esto significa que la luz fluorescente emitía perturbaciones en la ruta de la cadena de señales, delante de la entrada no inversora del amplificador buffer.

Para los sistemas que funcionan en un entorno iluminado, la instalación de una caja de blindaje en el circuito frontal puede ayudar a protegerlo de la radiación de interferencias y optimizar el rendimiento de la cadena de señales.

Figura 11
Figura 11. Astillas en el EVAL-AD7960FMCZ por la iluminación fluorescente.
Figura 12
Figura 12. Iluminación fluorescente cerca de la tarjeta EVAL-AD7960FMCZ.

Problemas de ramificación causados por un cable de entrada analógico largo

Durante la evaluación de la placa EVAL-AD4003FMCZ, se utilizó un generador de señales AP SY2712 para enviar una onda sinusoidal de bajo ruido y baja distorsión armónica a las entradas analógicas mediante un cable de micrófono XLR (de unos 2 metros de longitud). En esta configuración, se produjo una ráfaga con un nivel de unos -125 dB a 700 kHz, como se muestra en la figura 13.

Al estudiar el espolón, se encontraron tres formas de resolverlo:

Pasa el cable de micrófono XLR de dos metros de largo y pon en cortocircuito el conector XLR macho de la salida balanceada del AP con el conector XLR hembra del intercalador.

Ajusta la impedancia de salida de la fuente de señal del SY2712 de Z-Out = 40 Ω a Z-Out = 600 Ω.

El espolón se hace más pequeño cuando se inserta un filtro RC de ancho de banda estrecho (como 1 kΩ, 10 nF) en la cadena de la señal en el extremo delantero del amplificador buffer del AD4003, el ADA4807-1.

Finalmente, se llegó a la conclusión de que el desajuste de la impedancia de salida de la fuente de señal, y el largo cable XLR, eran la causa del espolón de alta frecuencia a 700 kHz.

Figura 13
Figura 13. Espuela en la placa de evaluación EVAL-AD4003FMCZ causada por el cable XLR.
Figura 14
Figura 14. AP conduciendo la tarjeta EVAL-AD4003FMCZ a través de un largo cable XLR.

Conclusión

En este artículo se analizan los enfoques para determinar las causas fundamentales de los problemas de espurios en los circuitos ADC de precisión de alta resolución en aplicaciones de sistemas. Presenta soluciones de diseño específicas para eliminar o reducir los espolones en cinco casos de aplicación diferentes. El documento también trata de los métodos de cálculo de los espolones para ayudar a estimar el nivel de potencia de los espolones como objetivo de diseño para aplicaciones específicas.

Referencias

Beavers, Ian. «Understanding the spurious-free dynamic range of wideband GSPS analog converters» Analog Devices, Inc. 2022.

McCarthy, Aine. Kits de evaluación AD7175-2. Analog Devices, Inc.

Pachchigar, Maithil. Kits de evaluación AD4003. Analog Devices, Inc.

Walsh, Alan. «Alimentación de un ADC SAR de precisión con un interruptor de alta eficiencia y ultrabajo consumo en aplicaciones sensibles a la energía» Analog Devices, Inc. 2022.

Agradecimientos

Agradecemos a los ingenieros de aplicaciones de ADI Alan Walsh, Maithil Pachchigar, Nandin Xu y Jeson Zhu su asesoramiento y apoyo en las pruebas de banco necesarias para este trabajo.

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