小尺寸简化了PCB布局并支持高通道密度
与传统分立式信号链相比（如图3所示），ADAQ4003的7 mm × 7 mm BGA封装尺寸至少缩减了4倍，可在不牺牲性能的情况下实现小型仪器仪表。
图3．ADAQ4003 μModule器件与分立信号链解决方案的尺寸对比
印刷电路板布局对于保持信号完整性以及实现信号链的预期性能至关重要。ADAQ4003的模拟信号位于左侧，数字信号位于右侧，这种引脚排列可以简化布局。换言之，这样设计人员就能够将敏感的模拟部分和数字部分保持分离，并限制在电路板的一定区域内，避免数字和模拟信号交叉以减轻辐射噪声。ADAQ4003集成了用于基准电压源（REF）和电源（VS＋、VS-、VDD和VIO）引脚的所有必要的（低等效串联电阻（ESR）和低等效串联电感（ESL））去耦陶瓷电容。这些电容在高频时会提供低阻抗接地路径，以便处理瞬态电流。
无需外部去耦电容，没有这些电容，也就不会产生已知的性能影响或任何EMI问题。通过移除用于形成板载供电轨（REF、VS＋、VS-、VDD和VIO）的基准电压源和LDO稳压器输出端的外部去耦电容，在ADAQ4003评估板上可以验证这一性能影响。图4显示了不论使用还是移除外部去耦电容，杂散噪声都被隐藏在低于-120 dB的本底噪声下。ADAQ4003采用小尺寸设计，可实现高通道密度PCB布局，同时减轻了散热挑战。但是，各器件的布局和PCB上各种信号的路由至关重要。输入和输出信号采用对称路由，同时电源电路远离单独电源层上的模拟信号路径，并采用尽可能宽的走线，对于提供低阻抗路径、减小电源线路上的毛刺噪声影响以及避免EMI问题尤其重要。
图4．提供短路输入ADAQ4003 FFT，在移除各个供电轨的外部去耦电容前后性能保持不变
使用高阻抗PGIA驱动ADAQ4003
如前所述，通常需要高输入阻抗前端才能直接与各种类型的传感器连接。大多数仪器仪表和可编程增益仪表放大器（PGIA）具有单端输出，无法直接驱动全差分数据采集信号链。但是，LTC6373 PGIA提供全差分输出、低噪声、低失真和高带宽，可直接驱动ADAQ4003而不影响精密性能，因此适合许多信号链应用。 LTC6373通过可编程增益设置（使用A2、A1和A0引脚）在输入端和输出端实现直流耦合。
在图5中，LTC6373采用差分输入至差分输出配置和±15 V双电源。根据需要，LTC6373也可采用单端输入至差分输出配置。LTC6373直接驱动ADAQ4003，其增益设置为0．454。LTC6373的VOCM引脚接地，其输出摆幅在-5．5 V和＋5．5 V之间（相位相反）。ADAQ4003的FDA对LTC6373的输出进行电平转换以匹配ADAQ4003所需的输入共模，并提供利用ADAQ4003 μModule器件内ADC最大2倍VREF峰值差分信号范围所需的信号幅度。图6和图7显示使用LTC6373的各种增益设置的SNR和THD性能，而图8显示图5所示电路配置的±0．65 LSB／±0．25 LSB的INL／DNL性能。
图5．LTC6373驱动ADAQ4003（增益 ＝ 0．454，2 MSPS）
图6．SNR与LTC6373增益设置，LTC6373驱动ADAQ4003（增益 ＝ 0．454，2 MSPS）
图7．THD与LTC6373增益设置，LTC6373驱动ADAQ4003（增益 ＝ 0．454，2 MSPS）
图8．INL／DNL性能，LTC6373（增益 ＝ 1）驱动ADAQ4003（增益 ＝ 0．454）
ADAQ4003 μModule应用案例：ATE
本节将重点介绍ADAQ4003如何适用于ATE的源表（SMU）和设备电源。这些模块化仪器仪表用于测试快速增长的智能手机、5G、汽车和物联网市场的各种芯片类型。这些精密仪器仪表具有拉电流／灌电流功能，每个处理程控电压电流调节的通道都需要一个控制环路，并且它们需要高精度（特别是良好的线性度）、速度、宽动态范围（用于测量μA／μV信号电平）、单调性和小尺寸，以容纳同时增加的通道数。ADAQ4003提供出色的精密性能，可减少终端系统的器件数量，并允许在电路板空间受限的情况下提高通道密度，同时减轻了此类直流测量可扩展测试仪器仪表的校准工作和散热挑战。ADAQ4003的高精度与快速采样速率相结合，可降低噪声，并且无延迟，因此非常适合控制环路应用，可提供出色的阶跃响应和快速建立时间，从而提高测试效率。ADAQ4003通过消除因自身漂移和电路板空间限制而需要在仪器仪表上分配基准电压的缓冲区，帮助减轻了设计负担。此外，漂移性能和元件老化决定测试仪器仪表的精度，因此ADAQ4003的确定性漂移降低了重新校准的成本，缩短了仪器仪表的停机时间。ADAQ4003满足这些要求，使仪器仪表能够测量较低的电压和电流范围，有助于针对各种负载条件优化控制环路，从而明显改善仪器仪表的工作特性、测试效率、吞吐量和成本。这些仪器仪表的高测试吞吐量和较短的测试时间将帮助最终用户降低测试成本。SMU高级框图如图9所示，相应的信号链如图5所示。
图9．源表简化框图
高吞吐速率支持ADAQ4003的过采样，从而实现较低的有效值噪声并可在宽带宽范围内检测到小振幅信号。对ADAQ4003进行4倍过采样可额外提供1位分辨率（这是因为ADAQ4003提供了足够的线性度，如图8所示），或增加6 dB的动态范围，换言之，由于此过采样而实现的动态范围改进定义为：ΔDR ＝ 10 × log10 （OSR），单位dB。ADAQ4003的典型动态范围在2 MSPS时为100 dB，对于5 V基准电压源，其输入对地短路。因此，ADAQ4003在1．953 kSPS输出数据速率下进行1024倍过采样时，它提供约130 dB的出色动态范围，增益为0．454和0．9，可以精确地检测出幅度极小的?V信号。图10显示了ADAQ4003在各种过采样速率和1 kHz及10 kHz输入频率下的动态范围和SNR。
图10．ADAQ4003各种输入频率下的动态范围以及SNR与过采样速率（OSR）
图11．使用信号链μModule技术降低总拥有成本
结论
本文介绍了与设计精密数据采集系统相关的一些重要方面和技术挑战，以及ADI公司如何利用其线性和转换器领域知识开发高度差异化的ADAQ4003信号链μModule解决方案，来解决一些棘手的工程设计问题。ADAQ4003能够减轻工程设计工作，如器件选择和构建可投入量产的原型，使系统设计人员能够更快地为最终客户提供出色的系统解决方案。ADAQ4003 μModule器件出色的精度性能和小尺寸对各种精密数据转换应用颇具实用价值，具体应用包括自动化测试设备（SMU、DPS）、电子测试和测量（阻抗测量）、医疗健康（生命体征监测、诊断、成像）和航空航天（航空）等，以及一些工业用途（机器自动化输入／输出模块）。ADAQ4003等μModule解决方案可显著降低系统设计人员的总拥有成本（如图11所示的各项），降低PCB组装成本，通过提高批次产量增强生产支持，支持可扩展／模块化平台的设计重用，还简化了最终应用的校准工作，同时加快了上市时间。
