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猜测:34410和3458的ADC电路架构是如此的相像,高速的密决?

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发表于 2015-11-4 14:43:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 16:52 编辑

  今天无聊,看了一下34410和3458的ADC,突然发现二者非常相像。
  这些电路都是为了高速积分做准备的。因此发贴问一下各位大神,这是ADC吗?(水平有限,以下全部为猜测,不对之处请指正)。
    首先看34410的ADC,基准和34401一样,是交替接入的。那么问题来了,如果在53M的时钟下,进行基准切换,普通的模拟开关已经不能胜任了。下面是常用模拟开关对比:
IDTypeVin(V)Ron(Ω)△Ron(Ω)Ton(nS)Ieakage(nA)Supply(V)Digital Section
MAX333SPDT20351175130-40TTL,CMOS
74HC4053SPDT1228040550100012CMOS


再来看34401的解决办法:
34410REF.jpg
106.25M的时钟,一路做为CPLD的主时钟源,另一路用二个D触发器,把基准切换信号打二拍,消除毛刺,信号进入二个三并连的六反相器,提高驱动能力,驱动二个250M FT的双极型晶体管,实现对基准的高速切换,二个270P电容的存在,使得电路永远不会出现晶体管在暂稳态时同时接通的情况。产生DAM_OUT通过20K电阻进入积分器。

34410ADC

34410ADC


  AC_OUT、DC_OUT、DAM_OUT通过一个网络电阻进入积分器。分别为30K、50K、20K。
  AC和DC相对于基准电阻的比例分别为:1.5和2.5。
  积分器为OP27和BJT超高速运放AD829组成(3458用的是AD844,都是200V/us左右的SR)复合运放,以提高压摆率,实现超高速测量。
  这个复合运放有一个缺点,就是输入偏置电流太高,如果采用BFET输入运放,又没有高的压摆率。
  因此,引入Q504,用于V-I和I-V转换,从而避免了输入偏置电流的影响。
  如果直接短路这只JFET,那么电路就和34401一样,但积分电容变成了47P。
  最后为比较电路,34410已经不用比较器或原来的COMS电平比较器,而是用了一只80M SPS的8位ADC做为积分“过零”检测电路,同实实现乘余电荷的测量。
  另一只10位20M SPS的ADC作用我不太理解。
  由FPGA产生解发信号,解发二片超高速ADC进行AD转换。
HP_3458.jpg

上面是3458的ADC,和34410基本上是一样的架构,但是检零部分用的还是通用积分ADC的检零电路,画红线的地方为积分电阻。AC为10K,DC为50K,多余部分为20K、80K、3.01M组合。积分运放用的是AD844,也是超高速运放,积分电容为100P,接法和34401有点差别。3.01M电阻用于测量20K和80K快速斜率时,检零过冲电荷。

还有个疑问,3458号称41/2位时(16比特)100,000读数/s。换算成计数需要6G,在34410j里面。因为有10位20M SPS流水线ADC测低位。高位积分ADC只需要6个计数就可以实现16位分辨率了。但3458有一个这样的ADC吗?
以上分析纯属猜测,我自己都信



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发表于 2015-11-4 14:51:00 | 显示全部楼层
拜读了,楼主真棒
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发表于 2015-11-4 15:29:32 | 显示全部楼层
3458的积分电容是330pF不是100pF

你算错了,哪有6G带宽,16位,100k的SARADC现在不是满大街跑?

还有那个3.01M电阻的作用没明白你什么意思,你要注意到他的电流直接进了积分器

3458的模拟开关是定制的,和网络电阻在一起,管芯面积和电阻一致,使得比例温漂很小
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 楼主| 发表于 2015-11-4 15:33:15 | 显示全部楼层
xuplastic 发表于 2015-11-4 15:29
3458的积分电容是330pF不是100pF

你算错了,哪有6G带宽,16位,100k的SARADC现在不是满大街跑?

谢谢提醒,头脑发热。算错了。只需要字节,16位就行了。
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发表于 2015-11-4 15:36:56 38hot手机频道 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2015-11-4 15:37:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 15:44 编辑
xuplastic 发表于 2015-11-4 15:29
3458的积分电容是330pF不是100pF

你算错了,哪有6G带宽,16位,100k的SARADC现在不是满大街跑?

【3458的积分电容是330pF不是100pF】:对,按照34410的接法,确实是330P,还串了一个243欧的电阻,这也是我搞不明白的地方,我所分析的东西,他到底是不是一个ADC我心里都没有底。那个3.01M的电阻存在,我理解成为了:在ADC闲置区间或在一个测量周期结束时,电荷不可能刚好在0点,会有点过冲,需要这个3.01M提供的电流进行反过冲,长期接入时,可以看成一个OFFSET存在。减掉就行了。
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 楼主| 发表于 2015-11-4 15:49:34 | 显示全部楼层
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 15:51 编辑

hide
@forester 我觉得这样算比较通理一点:100K/S的4位半读数,要送这个数据量的话,也不算大。就算按10进制来送的,
4位半的读数一个6个字节也可以表示完了(-1.2345),就算加上单位mV ,mA啥的,10个字节也应该够了。算下来1秒钟要传的数据不过也在1M左右了
15:44:40
hide 2015/11/4 15:44:40
1秒内计数6G,我估计是这样的,比如说1个读数用10个脉冲来表示,那么第1,2个脉冲表示1x1000,第3,4个表示1x100......如些类推,算下来10个脉冲可以表示最大就可以表示22222了,那这样算6G的计数也用不了多高的时钟来计数了。
不知道这样对不对呢?
15:48:00
forester 2015/11/4 15:48:00
嗯,上面那个我理解了。下面这个,看了你的信息,发现,3458有20K和80K二个积分电阻,倍率为4倍,每个计数的权值是不一样的。因此,不需要这么高的计数速度。至于34410,积分器计数6个就得到16BIT分辨率了。
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发表于 2015-11-4 15:49:56 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 15:37
【3458的积分电容是330pF不是100pF】:这也是我搞不明白的地方,我所分析的东西,他到底是不 ...

当然是ADC,这个毫无疑问

这个电阻我也没搞明白,是一个固定的,而且权重很小的offset没错,但是有什么用呢,我原来猜测是为了平衡运放的输入电流,现在感觉你说的也很有道理,因为这种没有剩余电荷检测的积分器必须从0点开始积分

但是这个积分器的零点也不需要外部维持,当ADC不工作的时候,后面slope amp会通过一个电阻再接回到积分器输入端,构成直流闭环,达成零点稳定。
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发表于 2015-11-4 15:53:31 | 显示全部楼层
实际你更应该关心3.01M电阻上面那个819k电阻,另一端是ZJUMP
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发表于 2015-11-4 15:55:41 | 显示全部楼层
高速的秘诀怕不是这里
34401与34410的主要区别应该是开关不一样
34401的开关就是74HC4053,这开关主要问题是注入电荷大于20pC,开关速度十几ns,你写的几百ns不知道是哪来的数据
从你的图看,34410主要改变是弄掉了模拟开关换成了MOS
同时采用了分立FET的做法
OP27和AD829组合提高增益,看样子OP27速度并不重要,重要的是直流精度
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 楼主| 发表于 2015-11-4 15:59:59 | 显示全部楼层
xuplastic 发表于 2015-11-4 15:49
当然是ADC,这个毫无疑问

这个电阻我也没搞明白,是一个固定的,而且权重很小的offset没错,但是有什 ...

我的个人理解是:3.01M电阻,一个作用是平衡过冲的电荷,另一个作用是测量底位的数值。接入0电位不能平衡过冲。
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 楼主| 发表于 2015-11-4 16:06:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 16:14 编辑
qqwintian 发表于 2015-11-4 15:55
高速的秘诀怕不是这里
34401与34410的主要区别应该是开关不一样
34401的开关就是74HC4053,这开关主要问 ...

几十NS应是数字电路的速度,但模拟开关关断是比数字电路慢的,这个数值是DATASHEET上的。
34401ADC的8位ADC速度太慢了。现在换成了80M SPS的流水线ADC,时钟频率也比34401的375K大了一个数量级。
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发表于 2015-11-4 16:08:47 | 显示全部楼层
后排认真学习一下~
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 楼主| 发表于 2015-11-4 16:09:00 | 显示全部楼层
xuplastic 发表于 2015-11-4 15:53
实际你更应该关心3.01M电阻上面那个819k电阻,另一端是ZJUMP

是的,过冲有正有负,如果是正过冲,ZJUMP就不需要了,直接用3.01M拉回来,但如果是负过冲,就需要ZJUMP先注入定量的电荷,使过冲为正
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发表于 2015-11-4 16:23:42 | 显示全部楼层
学习了,希望在高速高精度ADC、DAC方面研究上有突破
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发表于 2015-11-4 16:36:23 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 16:06
几十NS应是数字电路的速度,但模拟开关关断是比数字电路慢的,这个数值是DATASHEET上的。
34401ADC的8位 ...

这模拟开关是SPDP,不用进行电位的传递,只需切换电流
因为输出都是对地,所以我认为这个电流的切换速度不会有百ns级
但是不管怎么样,这个切换误差,都可以看成是某种电荷注入效果
10V/30K=0.3mA,乘以100ns则为30pC
这和电荷注入是一个数量级,我认为这种固定的偏差都可以offset掉

所以为什么34410要换掉这个开关,不得而知,个人觉得这开关够用了
就算不够用,也有更好的模拟开关IC,为何要用分立器件?
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发表于 2015-11-4 16:55:33 | 显示全部楼层
很好的讨论,学习
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 楼主| 发表于 2015-11-4 17:13:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 17:14 编辑
qqwintian 发表于 2015-11-4 16:36
这模拟开关是SPDP,不用进行电位的传递,只需切换电流
因为输出都是对地,所以我认为这个电流的切换速度 ...

34410的时钟频率是106.25MHz,打二拍,最快的切换速度变成52Mhz,虽然不一定切换这高么的速度,从34410比34401读速高了100倍,切换速度37.5MHZ或更高,所以只能采用分立的双极型三极管开关,输入电容少,减少驱动难度。理论上,基准都是通过电阻对地放电,基准的缓冲并不需要4000V的转换速率,但34410用AD8014进行基准缓冲,说明还是要从基准吸电流的,这个电流可能就是您说的充电电荷在影响。
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发表于 2015-11-4 17:30:15 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 17:13
34410的时钟频率是106.25MHz,打二拍,最快的切换速度变成52Mhz,虽然不一定切换这高么的速度,从34410比3 ...

那个时钟只是PWM分辨率,和真正的切换速度肯定差的非常多

模拟开关切换的电阻位置很值得讨论
34401是“刀”在“掷”前,然后模拟开关前面加电阻,也就是说,模拟开关的注入效果是直接注入到积分器的,基准被电阻隔离
34410是“掷”在“刀”前,然后模拟开关后面加电阻,切换是在±ref之间进行切换,注入效果直接注入到了基准,积分器被电阻隔离
这两种方式很有意思

扩展下说
34401是基准串电阻做“刀”,正负两个基准就有两把“刀”
每把刀有两个“掷”的方向,分别是地和积分器
这样,模拟开关是只负责切换电流方向,输入输出整个过程电压均不改变,因为积分器输入和地是几乎等效的

34410是积分器“串电阻”做“刀”,正负两个基准就是两个“掷”的方向
只要一个开关就实现了切换基准,这么做看似省了一个开关,还省了一个积分器输入电阻
但是我个人觉得,这样做,模拟开关要处理突变的电压,这还会劣化电荷注入问题,毕竟内部电容会带来更大的影响
唯一好处也许就是注入电荷会被低阻抗基准干掉吧?也许更难补偿额

这两种方式我以前都思考过,个人认为34401的更优。34410是为了省电阻,不得不用了更好的开关与更好的基准缓冲
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 楼主| 发表于 2015-11-4 17:37:05 | 显示全部楼层
看了一个下午的电路,我个人理解3458之所以能实现100 000SPS的读数,是3458有四个权,倍率为4倍,那么第一个权把输入电压分成4份,前三份已知,用第二个权把余下那份电压又分成4份,再用第三个权把前面末知的那份分成4份,到了最后一个权,末知的部分已经很小了。65536/4/4/4=1024个计数即可实现。这些数据只是类比。没有实际意义
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发表于 2015-11-4 17:39:13 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 17:37
看了一个下午的电路,我个人理解3458之所以能实现100 000SPS的读数,是3458有四个权,倍率为4倍,那么第一 ...

完全不对
3458的去积分速度是很快,用4个权可实现一百多倍的去积分速度
但是,34401的去积分时间是0,难道比3458还快?
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发表于 2015-11-4 17:47:19 | 显示全部楼层
qqwintian 发表于 2015-11-4 17:39
完全不对
3458的去积分速度是很快,用4个权可实现一百多倍的去积分速度
但是,34401的去积分时间是0, ...

34401应该有去积分的时间吧,要不然一直上积分或是下积分,积分器不早饱和了?
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 楼主| 发表于 2015-11-4 17:47:43 | 显示全部楼层
qqwintian 发表于 2015-11-4 17:30
那个时钟只是PWM分辨率,和真正的切换速度肯定差的非常多

模拟开关切换的电阻位置很值得讨论

这位老大的思维方式真是太好了。省了一个电阻还有一个好处是,线性可能变得更好。因为少了一个不确定性。
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发表于 2015-11-4 18:02:58 | 显示全部楼层
38hot_321 发表于 2015-11-4 17:47
34401应该有去积分的时间吧,要不然一直上积分或是下积分,积分器不早饱和了?

去积分时间指的是完全切断输入的去积分时间

这种多斜积分,去积分和正积分是同时发生的
你使用10plc去进行测试,正积分一定等于200ms,不会多也不会少
34401等电路用剩余电荷or剩余电压进行判断,所以纯去积分时间=0

3458等电路无剩余电荷or剩余电压ADC,只能进行正常的去积分步骤
无论多快,终究有时间,所以不会比34401更好

优势是,3458的剩余电荷也是通过去积分电阻进行的,这样,电容还是原来的电容,线性度没有被破坏
但是34401用剩余电压法,这个法子的致命问题是电容C不一定够精确,而且随时间变化可能还很大
通过正负基准切换得到高位,剩余电压得到低位,这个低位是不一定准的,不一定能正好匹配衔接上高位,引起了非线性问题
很严重的非线性问题
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 楼主| 发表于 2015-11-4 18:16:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 forester 于 2015-11-4 18:24 编辑
38hot_321 发表于 2015-11-4 17:47
34401应该有去积分的时间吧,要不然一直上积分或是下积分,积分器不早饱和了?

34401没有去积分时间。也就是没有过零。利用5V CMOS电平做为积分上下限,也就是每周期要检测两次积分器电平,高电平大于3.5V,下行下斜积分,底电平小于1.5V,进行上斜积分,再检测到电平扣,时钟没有到来之关,会有二次过冲。直接用SAR ADC测量当前积分器的输出电压,做为本次的结果电压,也做为下次的开始电压,
把本次结果的电压减去上次结束的电压,就得到剩余电荷,再通过换算成和积分周期一样的权重。
为了34401的换算方式,我也发了一贴:https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=134222&extra=



34401是以定周期的形式接入不同的基准,有某个基准可能连续接入两次,但最多连续接同一个基准不超过两次。积分总周期可控。


34410和3458也是以定周期的接入不同的基准,不同的时,只检测一个积分器电平点,定周期接入上斜,是为把负的输入待测电压,偏移到正的上面来。后面的下斜积分,有时候也需要接入二次相同的基准,但最多连续接同一个基准不超过两次。检测到过零后,切换时钟没有到来之前,过冲只在零点发生。3458有多个斜率,是为了加快积分速度。


34401的积分原理是:有一桶末知的水,用已知的量杯去量,量得整数杯做为高位。余下的不够一杯的用SAR ADC测量。楼上也提到了,电容变了,最后用SAR ADC测出来的电量,换算回积分周期权重时,也就不准了。

3458积分的原理是:有一桶末知的水。有4个量杯,每一个量杯的大小都是前面的4倍。先用最大的量杯量水,得整数个量杯,余下的装不满一个大量杯的,换一个小量杯量。放出3杯水后,第4杯装不满了,换一个更小的,也装了3杯,最后一杯不满了,换个更小的。直到最小的。3458最后的二个量杯,已经不需要高精度基准电压了。只接采用R2R DAC 和电阻生成等效的积分电流。

所有过冲的电位,就是余下的那些装不满杯子的水





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发表于 2015-11-4 18:21:04 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 17:47
这位老大的思维方式真是太好了。省了一个电阻还有一个好处是,线性可能变得更好。因为少了一个不确定性。 ...

我个人倒是觉得,34401的方式会更好点……

34401方式切换开关不切换电压,刀柄和掷点的电压都是完全不变的,这对开关的要求大幅度降低,切换速度会更快
34410方式切换开关立即切换电压,掷点的电压不变就是±ref,但刀柄的电压是瞬变的。切换速度慢,稳定时间长,唯一好处是注入电荷被短路

34401浪费了开关、浪费了电阻。那个电阻可是排阻,成本较高。
(两个基准电阻不匹配并不会引起新的不确定,因为负基准本来就不够准,是另外两个相等的电阻产生的,本来就需要校准才能用下去,所以基准电阻不是核心题矛盾)
所以这样设计必有其特殊的含义
这点我也想不通,34401的积分电容是440pF,积分电阻是30K,而34410竟然变成了47pF与20K,增加了14倍多
这个设计唯一目的必然是增大积分上限电压,,既然积分器动态范围依然是±12V左右不会改变多少
所以34410的切换速度要高14倍才行,既然切换速度都大幅度提高了一个数量级
为什么把开关反而用了更不利的?我想不明白!难道是电荷注入问题已经到了不可忍受的地步了吗?
难道是主要矛盾由切换稳定时间,变成了电荷注入问题了吗?


从产品工程方面看:
34410的方式才是自发的,很容易第一时间从大脑思考出来的,34401的方式反而要花些时间,需要进一步思考才能想出来
除非34401的工程师是犯了混才设计的这样,否则我还是认为,34401更好些

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发表于 2015-11-4 18:30:19 | 显示全部楼层
forester 发表于 2015-11-4 18:16
34401没有去积分时间。也就是没有过零。利用5V CMOS电平做为积分上下限,也就是每周期要检测两次积分器电 ...

3458的量杯是超级量杯
最大的量杯量n次后,最后一次不够量,但还是量下去了一整杯,桶内剩了负的水
这点造成了,使用这种方法增加的速度是不确定的,没有想象的快

举个例子,有4种量杯,-1、10、-100、1000
桶子有9876的水
第一次拿1000的水杯,      但并不是量了9次,而是10次,剩余-124的水
第二次拿-100的水杯,       专门量负水的杯,量2次,剩余+76的水
第三次拿10的水杯,          量8次,剩余-4的水
第四次拿-1的水杯,          专门量负水的杯, 量4次or5次不确定了
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发表于 2015-11-4 18:36:29 | 显示全部楼层
我以前也以为3458的ADC计数达不到4位半10000次/秒。嘿嘿
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发表于 2015-11-4 19:15:11 | 显示全部楼层
qqwintian 发表于 2015-11-4 17:30
那个时钟只是PWM分辨率,和真正的切换速度肯定差的非常多

模拟开关切换的电阻位置很值得讨论

确实是34401的更好,实际上3456,3457到3458全是这样的结构,实际3456的设计更神奇,它多用了一个电阻,但是消去了对正基准电压长期稳定性的依赖,影响长稳的只有负电压基准

34410这种方法线性度不会好的,当然满足六位半没有任何问题,但是到了八位半就完全不可接受了
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发表于 2015-11-4 19:32:04 | 显示全部楼层
xuplastic 发表于 2015-11-4 19:15
确实是34401的更好,实际上3456,3457到3458全是这样的结构,实际3456的设计更神奇,它多用了一个电阻,但 ...

用了更多的电阻和开关,带来的是电压的不变
不过电荷注入直接被基准源短路,把这点pC抑制极高
这点兄台怎么看?
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