電路功能與優勢
為資料處理、網路、可攜式、穿戴式和其他運算應用設計並優化電源解決方案，需要對電壓和電流進行精準、寬頻、高動態範圍的測量。系統可能包含一個、數十個或數百個中央處理單元(CPU)、圖形處理單元 (GPU)、網路介面、儲存硬體和各種支援電路。
為了回應不斷變化的系統需求，這些電路可能在幾微秒內從消耗數微安電流的空閒狀態轉換到消耗數百安培電流的滿載狀態。此外，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準擷取電流、電壓或功率曲線，並在更寬頻寬上測量諧波。
低壓電源軌具有嚴格的雜訊要求，必須在不同的負載條件、溫度下進行表徵，並考慮旁路電容隨時間的退化。
圖1所示電路提供了一個完整的寬廣範圍電流測量系統，適合這些具有挑戰性的應用。精度、頻寬和漂移性能與適用於生產測試環境的桌上型和機架安裝式測試設備處於同一水準。同時，該解決方案夠精巧，可以整合到這些需要持續監控的應用中。當對快速瞬變和小訊號位準進行數位化處理時，15 MSPS的採樣速率大幅放寬了抗混疊濾波器要求並大幅提高了頻寬。為了適應所執行的特定測量，可以應用額外的過採樣來權衡雜訊和頻寬。
圖 1:EVAL-CN0560-FMCZ 簡化功能框圖
電路描述
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。儘管有尺寸限制，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，減輕了自熱引起的系統漂移校準負擔，而且優化了整體精度性能。CN0560非常適合於自動化測試設備、電源（如CPU/GPU供電軌中）監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、類比前端(AFE)和類比數位轉換器 (ADC)，然後是微控制器或現場可編程閘陣列(FPGA)。CN0560提供寬頻寬前端，並將分流電阻上產生的小差分電壓轉換為較大電壓來饋送，然後將其數位化。
電流輸入
CN0560能夠測量三種電流輸入範圍：10 µA、10 mA和10 A。電流輸入範圍透過控制高電壓、防閂鎖、低突刺、快速建立的多工器ADG5209來選擇（透過A0、A1）；根據板載跳線的配置方式，可以手動或透過軟體進行設定。表1顯示了每個電流量程的跳線配置。圖2顯示了10 µA電流量程的簡化CN0560評估設定。
表 1: 電流量程選擇
圖 2:簡化評估測試設定，10 μA 範圍
施加來自電流源的10 µA、10 mA和10 A已知電流，使用萬用表透過電壓感測墊測量每個分流電阻（0.05 Ω、5 Ω和5 kΩ）上產生的差分電壓。透過每個分流電阻的電流產生 50 mV 的最大電壓降。該電壓由ADA4898-1放大器（默認增益為40）放大，然後送入ADAQ23878 μModule®的差分輸入。
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的電阻溫度係數(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產生主導作用。圖3和圖4顯示了分流電阻對CN0560的影響。
圖 3:CN0560 FFT，無過採樣（使用分流電阻）
圖 4:CN0560 FFT，OSR 為 256（使用分流電阻）
輸入保護
36 V雙向瞬態電壓抑制器(TVS)二極體和100 Ω電阻保護分流器輸入，使其免受靜電放電(ESD)衝擊和過壓狀況的影響。多工器輸入可直接承受高達+/-15V的輸入電壓；高於此的電壓會產生額外的電流，受100 Ω電阻的限制。
增益級
在選定多工器輸入之後有兩個低雜訊、高速放大器ADA4898-1，以及驅動ADAQ23878訊號鏈µModule的四通道精密匹配電阻網路LT5400。LT5400-7提供0.2 ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度範圍很寬，CMRR優於獨立匹配電阻。預設情況下，使用外部增益設定電阻將兩個ADA4898-1放大器設定為增益40的全差分配置。40倍增益在ADAQ23878的輸入端產生2.0 V的滿量程電壓，當ADAQ23878配置為+/-2.048 V範圍時，SNR得以最大化。
數位化前端
圖1中的一個關鍵模組是ADAQ23878 µModule，其包括一個低雜訊、全差分放大器(FDA)、一個穩定的基準電壓緩衝器、一個15 MSPS 18位元逐次逼近型ADC，以及實現優化性能所需的關鍵被動元件。
ADAQ23878 µModule是一種系統級封裝(SiP)解決方案，可提供精密性能，減少終端系統元件數量，並在電路板空間約束下提高通道密度。其並緩解了與電流測量測試設備相關的校準負擔和熱挑戰，但沒有與高整合度專用積體電路(ASIC)相關的高成本。
FDA 周圍的精密電阻陣列採用 ADI 專有的iPassives®技術建構。這消除了電路不平衡，減少了寄生效應，提供高達0.005%的卓越增益匹配，並實現了0.13 ppm/°C的優化漂移性能。相較於分立被動元件，iPassives技術還有尺寸優勢，可大幅減少與溫度相關的誤差源並減輕系統級校準負擔。
FDA提供快速建立時間、寬廣共模輸入範圍以及精準的可配置增益選項（0.37、0.73、0.87、1.38和2.25），允許進行增益或衰減調節，支援全差分或單端轉差分輸入。
過採樣和抗混疊
ADAQ23878的高精度性能與高採樣速率相結合，可降低雜訊並支援過採樣，以實現極低的RMS雜訊並在寬頻寬內檢測小幅度訊號。
使用4.096 V基準電壓並在輸入短接地的情況下進行測量，ADAQ23878的典型動態範圍約為89 dB，如圖5所示。由於許多電流測量應用的頻寬低於7.5 MSPS，因此可以應用過採樣來提高動態範圍。
圖 5:無過採樣的 FFT（輸入短路）
過採樣是指以比兩倍訊號頻寬（滿足奈奎斯特標準所必需）更快的速度進行採樣。以兩倍訊號頻寬採樣時，類比抗混疊濾波器存在嚴格的限制，因為任何高於 fs2 的雜訊或干擾音都會混疊進入通帶。混疊的傳統解決方案是使用高階濾波器，但這需要權衡精度、通帶漣波、阻帶抑制、群延遲和功耗。低取樣速率並將ADC的所有量化和熱雜訊集中在訊號頻帶中。過採樣有兩方面效應：
· 類比抗混疊濾波器可能有更高的截止頻率和/或更低的階數。
· ADC 雜訊分佈在更寬的頻寬上，帶內雜訊得以降低。
圖6說明了過採樣的影響。可用訊號頻寬為 fs2 × OSR ，類比濾波器的截止頻率可以提高到 fs − fs2 × OSR。訊號通帶遠低於類比濾波器的轉換帶，從而將通帶漣波的影響降至最低。訊號通帶回應以數位低通濾波器的回應為主，該回應在整個溫度範圍內具有確定性和穩定性，並且對元件容差不敏感（與類比濾波器不同）。大部分數位濾波器會將輸出資料擷取到較低的速率，進而降低資料處理要求。例如，串聯積分梳狀(CIC)濾波器輸出的抽取因數等於OSR。
圖 6:過採樣對抗混疊濾波器要求的影響
過採樣帶來的動態範圍(DR)改善幅度可以使用公式1計算。
其中：
OSR為過採樣資料速率。
過採樣每增加4倍，解析度就會增加1位元，或者動態範圍增加6 dB。對ADAQ23878的輸出進行256倍的過採樣會產生58.594 kSPS (15 MSPS/256)的輸出資料速率。對於不同增益選項，這對應於29.297 kHz的訊號頻寬和接近111 dB的動態範圍，因此其能精準檢測幅度非常小的μV訊號，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前端放大器是因為其具有寬頻寬、高壓擺率、低雜訊或失真特性。它還能以15 MSPS的全速輕鬆驅動ADAQ23878的低輸入阻抗，並實現優化性能。
基準電壓
ADAQ23878內建一個2.048 V、20 ppm/°C基準電壓源(REF)和一個基準電壓緩衝器(REFBUF)，後者相對於REF具有2倍的固定增益。基準電壓緩衝器的4.096 V輸出決定了ADAQ23878的滿量程輸入範圍。
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2.048 V ADR4520過驅REF的選項，其初始精度為0.025%，漂移為2 ppm/°C。或者，板載LTC6655可以過驅REFBUF，其初始精度為0.025%（最大值），溫度係數為2 ppm/°C（最大值）。
電源樹
EVAL-CN0560-FMCZ使用具有FPGA夾層卡(FMC)連接器的FPGA控制器板進行資料擷取。板上的所有電源軌均由源自控制器板的3.3 V電壓軌產生。電源樹是利用系統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3.3 V電源軌產生+7 V、-2.5 V、+15.5 V 和 -15.5 V電壓軌。LT3023雙通道、低雜訊、微功耗LDO從 +7 V產生+5 V和+6.5 V電壓軌，而ADP7185超低雜訊LDO從-2.5 V產生-2 V電壓軌。
圖 8:電源簡化框圖
+6.5 V和-2 V電壓軌用於ADAQ23878的整合FDA，而+5 V電壓軌用於LTC6655以產生4.096 V基準電壓。來自第二LTM8049的+15.5 V和-15.5 V兩個電壓軌被饋送到LT3032雙通道LDO，為ADA4898-1和ADG5209產生+15 V和-15 V電壓軌。低雜訊LDO ADP7118為ADR4520產生+2.5 V電壓軌，以產生2.048 V基準電壓。CN0560的總功耗約為910 mW，不包括分流電阻的功耗。
PCB 佈局佈線
印刷電路板(PCB)佈局對於保持訊號完整性和實現最佳性能非常重要。圖9顯示了CN0560板訊號鏈部分的PCB佈局。此電路板佈局使用內建開爾文連接的四端子分流電阻，相較於兩端子分流電阻，其能降低TCR效應並提供更高的溫度穩定性。
圖9:PCB Layout of the Signal Chain
必須使用具有開爾文連接的四端子電流感測電阻，將流過分流電阻的高電流保持在感測路徑之外。流過電阻的高電流和電壓測量分別有單獨的終端，這有助於大幅提高測量精度。
為每個校準電流都實現了最優感測佈局。對於阻值非常低的電阻（5 mΩ或更小），焊墊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(5 mΩ)用於10 A電流量程。該電阻的TCR為± 0.05 ppm/°C，容差為0.1%，尺寸非常精巧(<10 mm x 10 mm)，因此沿焊墊的每毫米電阻都會影響有效電阻。
建議使用多層板，ADAQ23878 µModule下方第一層中應有乾淨的內部接地層。電路板上的各個元件和各種訊號的佈線也必須小心放置。此外，輸入和輸出訊號的佈線最好對稱。
µModule的接地接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輸入和輸出接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訊號鏈的失真和線性度性能。敏感的類比部分和數位部分必須在PCB上分開，同時使電源電路遠離類比訊號路徑。快速開關訊號（比如CNV±或CLK±）以及數位輸出DA±和DB±不得靠近或越過類比訊號路徑，以防雜訊耦合到µModule。
板載LDO的輸出端應增加至少2.2 µF (X5R)的優質陶瓷旁路電容，以大幅降低電磁干擾(EMI)敏感度，並減少突刺對電源線的影響。所有其他必需的旁路電容都包含在ADAQ23878中，進而節省電路板空間並降低成本。
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是接腳相容的16位元、15 MSPS、低壓差分訊號(LVDS)介面訊號鏈µModule，可取代ADAQ23878。
低雜訊JFET放大器ADA4627-1是ADA4898-1的接腳相容替代產品，性能相差不大。請注意，由於頻寬較低，ADA4627-1 可能無法以 15 MSPS 的全速驅動ADAQ23878。
電路評估與測試
EVAL-CN0560-FMCZ使用SDP-H1控制板支援高精度資料擷取，並使用分析、控制、評估(ACE)軟體採集時域和頻域資料。有關測試設定的完整詳細資訊，請參閱EVAL-CN0560-FMCZ使用者指南。
設備要求
· EVAL-CN0560-FMCZ
· 電流源
· EVAL-SDP-CH1Z
· 數位萬用表
· 評估軟體
開始使用
1. 使用 EVAL-CN0560-FMCZ 板之前，請先下載ACE 軟體和 SDP-H1 驅動程式並將其安裝到 PC。
2. 將 EVAL-CN0560-FMCZ 和 SDP-H1 板連接到 PC。
3. 啟動 ACE 軟體。
4. 使用適當的操作設定正確設定多個跳線選項，然後將電源和訊號施加到 EVAL-CN0560-FMCZ。請注意，EVAL-CN0560-FMCZ 板不需要外部電源適配器，其透過 160 接腳 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 埠附近的重定開關。
測量
圖10顯示積分線性度(INL)資料在+/- 2.5 LSB以內，該資料是使用此板擷取的，運行速度為15 MSPS，增益為1.38，ADAQ23878前端分別設定為10 mA和10 µA。
圖11顯示了三個電流量程的動態範圍。使用者可以在數位域中進行過採樣或平均，以改善雜訊性能，並針對目標頻寬精準擷取小幅度訊號，放寬對抗混疊濾波器的要求。
圖 11:動態範圍與 ADAQ23878 增益的關係
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1 mA上升到10 mA，增益分別為0.87和1.38。
圖 12:訊號鏈輸出電壓與輸入電流的關係
圖13顯示了未校準訊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中收集的資料。增益誤差主要取決於±0.1%容差的電流感測電阻。
圖 13:µModule 輸出電壓誤差與輸入電流的關係（未校準）
