Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Usprawnienia układów ASIC pod kątem minimalizacji poziomu szumów

ghost666 28 Lis 2013 16:30 2646 0
  • Wstęp

    Dobry projekt układu ASIC (ang. application-specific integrated circuits - krótkie serie układów projektowane pod kątem specyficznych zastosowań - przyp. tłum.) pozwala w 90% odnieść sukces już przy pierwszej realizacji układu w krzemie. W takim przypadku można by się zastanawiać jaki jest sens 'poprawiania' tych aplikacji. Zasadniczo układ ASIC działa poprawnie a niewielka ilość pozostałego czasu do wprowadzenia go na rynek nie pozwala na polepszenie jego parametrów. Brzmi znajomo, prawda? Niestety, jak mówi prawo Murphyego numer jeden "cokolwiek może pójść źle, pójdzie źle w najgorszym możliwym momencie". I ma to tutaj ogromne zastosowanie. Niezależnie od tego ile czasu spędzimy na symulowaniu naszego układu lub jego realizacji na układach FPGA albo innych prototypach zawsze podczas finalnej realizacji napotkamy pewne niespodzianki. Niewielkie rzeczy które nadal potrzebują usprawnienia. I kiedy już myślimy że uda się wszystko zrealizować dział marketingu i sprzedaży dodaje że niestety ale układ nie sprzeda się, jeśli nie dodamy dodatkowej niewielkiej funkcjonalności. Oczywiście, z drugiej strony, terminy wprowadzenia układu na rynek nie mogą zostać wydłużone. Ten dramat, czy wręcz koszmar, jest znany każdemu projektantowi zajmującemu się układami ASIC.

    Układy cyfrowe są relatywnie proste do 'naprawienia' ponieważ wszystko w nich jest zasadniczo czarno-białe. Niestety często spotyka się problemy natury analogowej w układzie ASIC i to może być już bardziej problematyczne. Kwestie analogowe pozwalają na pewne spektrum szarości - pewne rzeczy niemalże działają, czy wręcz działają poprawnie w pewnym zakresie warunków, ale na przykład sygnały są odrobinę bardziej zaszumione niż wstępnie przewidywano albo też jakiś człon układu potrzebuje odrobinę wyższego wzmocnienia. Może pojawiać się konieczność kalibrowania układu albo kompensacji niedoskonałości innych członów. Jednakże gdyby było to tak proste jak brzmi to większość z projektantów układów ASIC spałaby stanowczo lepiej i piła mniej kawy.

    Bardzo często spotykamy się z pomyłkami podczas projektowania analogowych fragmentów układów ASIC. Zaglądamy do jego struktury i gdzieś w rogu widzimy upchnięte potknięcia - pewne człony które w fazie projektowej działały poprawnie, lub na takie wyglądały, jednakże teraz, po realizacji układu w krzemie, już nie działają. W poniższym artykule opiszemy szereg sposobów jak naprawić niektóre z tych potknięć. Zaprezentowany zostanie szereg zewnętrznych układów pozwalających na poprawną aplikację układów ASIC w ich aktualnym stanie czy nawet, w wielu przypadkach, na ich sprzedaż na rynku. Zaprezentowane zostaną metody korekcji szumu w układach analogowych, kalibracji wzmocnienia czy offsetu a także sposoby pozwalające na polepszenie jakości zasilania dostępnego w układzie. Korzyści z tych 'sztuczek' są oczywiste - pozwala to na szybszą realizację projektu oraz szybsze przesunięcie układu do sprzedaży czy aplikacji.





    Optymalizacja części analogowej i redukcja szumu w układzie

    Poziom szumów jest istotnym problemem w układach ASIC integrujących w sobie układy cyfrowe i analogowe ponieważ często mamy do czynienia z sytuacją iż szum, generowany w części cyfrowej podczas przełączania stanów logicznych, przenika do czułej części analogowej. Poniższy diagram pokazuje idealny przypadek układu ASIC w którym każdy blok funkcjonalny układu posiada własne, osobne zasilanie i pin masy. Mimo zastosowania takiej architektury układu szybkozmienne sygnały cyfrowe wprowadzają pewne zakłócenia do części analogowej poprzez linie masy i zasilania.

    Usprawnienia układów ASIC pod kątem minimalizacji poziomu szumów


    Taka topologia układu ASIC byłaby idealne gdyby móc zaaplikować ją w dwóch kościach krzemowych (w jednej obudowie), co pozwoliłoby na zbudowanie w pełni hybrydowego układu. Taka konfiguracja pozwoliłaby na idealne odseparowanie mas obu części - analogowej i cyfrowej - od siebie. Niestety w rzeczywistości układ musi być zrealizowany na jednej kości, przez co część cyfrowa i analogowa współdzielą ten sam substrat krzemowy. Mimo tego warto pamiętać o tym aby zapewnić w układzie możliwie dużo osobnych pinów zasilania i masy dla poszczególnych części układu. Daje to szanse na stworzenie dosyć elastycznej procedury testowania układu i poprawiania jakości zasilania w układzie. Skupmy się teraz na części cyfrowej.

    Szum generowany podczas przełączania tranzystorów w układzie cyfrowym

    Rozpocznijmy analizę pokazanego powyżej schematu od dolnego prawego narożnika. Znajduje się tam mikroprocesor oraz układy logiki, które to są podstawowymi źródłami szumu wynikającego z szybkiego przełączania sygnałów. Niedoświadczony projektant układów ASIC, po zaznajomieniu się z tym projektem mógłby powiedzieć że przecież zegar układu to tylko 1 MHz. Oczywiście to prawda, jednakże pamiętać należy że idealny przebieg prostokątny posiada nieskończone rozwinięcie w szereg harmonicznych. W rzeczywistych systemach obserwuje się pierwsze pięć czy nawet siedem harmonicznych. Co więcej w taktowanym synchronicznie układzie zbocza wielu przebiegów następują w tym samym momencie. Finalnie pamiętać należy iż bramka wykonana w technologii CMOS pobiera prąd w czasie przełączania. Poniższy schemat pokazuje jak użyty jest prąd wprowadzany do bramki. Po pierwsze aby naładować pojemność kolejnego stopnia a po drugie aby częściowo zasilić oba tranzystory w czasie przełączania.

    Usprawnienia układów ASIC pod kątem minimalizacji poziomu szumów


    Patrząc na dane zaprezentowane na poniższym wykresie widzimy iż prąd ten jest niewielki, jednakże pamiętać należy iż sumuje się on w momencie gdy jednocześnie przełączają się miliony tranzystorów.

    Usprawnienia układów ASIC pod kątem minimalizacji poziomu szumów


    Dokąd doprowadzają nas te rozważania? Niektórzy projektanci rozdzielają szyny zasilania i masy stosując terminy "analogowe" i "cyfrowe" zasilanie. Artykuł proponuje jednak zastąpienie tych niewiele mówiących nazw raczej terminami zasilania "czystego" i "brudnego". Znacząco pomaga to w zrozumieniu istoty problemu. Wewnątrz układu ASIC poziom masy może pływać (z uwagi na pobór dużego prądu przez sekcję cyfrową - przyp. tłum.) co powoduje iż do układów analogowych wprowadzany jest szum pochodzący z układów cyfrowy w strukturze. Aby odseparować czułe układy od brudnego zasilania należy prowadzić masę w topologii gwiazdy z jednym centralnym punktem łączącym masy sekcji cyfrowej i analogowej. Kondensatory odsprzęgające zasilanie muszą być rozsądnie dobrane pamiętając o jego rezonansie włąsny,

    Poprawianie stosunku sygnału do szumu (SNR) dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC)

    Skupmy się teraz na analogowym front-endzie (AFE) który przygotowuje sygnał do digitalizacji na ADC. System ten składa się z multipleksera, wzmacniacza i filtrów analogowych. Jeśli sygnał podawany na przetwornik ADC jest zaszumiony musimy przyjrzeć się parametrowi SNR sygnału wejściowemu aby ocenić czy jakość pracy układu może zostać poprawiona.

    Musimy zadać sobie kilka prostych pytań. Po pierwsze - czy wykorzystujemy pełen zakres napięć wejściowych przetwornika ADC? Czy możemy dodać dodatkowe wzmocnienie lub offset z dodatkowym wzmacniaczem i potencjometrem cyfrowym tak aby zoptymalizować zakres napięć w sygnale? Jeśli sygnał wejściowy jest zbyt zaszumiony czy możemy zapewnić lepszej jakości zasilanie układu być może nawet wykorzystać niskoszumne źródło napięcia odniesienia do zasilania? Czy w układzie występują zakłócenia radiowe (RFI) lub interferencje elektromagnetyczne (EMI) albo zakłócenia pochodzące spoza pasma (OOB)? Czy możemy w jakiś sposób osłonić układ przez zakłóceniami, wykorzystać skręcone pary przewodów i wzmacniacze różnicowe albo też zainstalować na wejściach filtry dolnoprzepustowe aby odfiltrować część szumu? Część z tych zabiegów może być przeprowadzona na zewnątrz układu, przed wejściem do układu ASIC.

    Kolejnym problemem jest źródło sygnału podawanego na AFE. Załóżmy że sensor który chcieliśmy wykorzystać jest już niedostępny i musimy zastąpić go nowym zamiennikiem proponowanym przez producenta. Sytuacja taka staja się bardziej problematyczne jeśli zamiennik charakteryzuje się innymi parametrami. Być może potrzebować będzie on innej impedancji, wzmocnienia bądź dodania offsetu zewnętrznym wzmacniaczem tak aby układ mógł poprawnie działać. Jeśli to AFE jest źródłem szumu możemy przyłożyć większe starania do poprawnego odsprzęgnięcia zasilania, być może dodając opornik albo indukcyjność, chociażby z w postaci koralika ferrytowego. Niskoszumne źródło napięcia odniesienia może także posłużyć tutaj jako zamiennik zasilania w układzie.

    Patrząc dalej na elementy zaprezentowane na powyższym schemacie blokowym widzimy źródło napięcia odniesienia które połączone jest z układem ADC oraz DAC. Możliwą opcją jest podawanie na przetwornik ADC zewnętrznego napięcia odniesienia. Pozwala to na podłączenie niskoszumnego źródła napięcia odniesienia, co pozwoli poprawić SNR tego układu. Możliwe jest także podłączenie regulowanego źródła napięcia odniesienia co umożliwi dostosowanie zakresu napięć układu ADC i DAC.

    Szum wyjściowy układu DAC

    Spójrzmy teraz dokładniej na elementy znajdujące się w górnym prawym rogu schematu blokowego widocznego u góry. Znajduje się tam przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) połączony z układem złożonym z wzmacniacza i filtrów. Bardzo łatwo jest sprawdzić zachowanie układu DAC w kwestii generowanego szumu. Ustawmy układ DAC na 10%, 50% oraz 90% pełnego zakresu. Wartości te dobrane są aby ustrzec się przesterowania wyjścia bądź kompresji i żeby pozostać w liniowym zakresie pracy układu. W typowym przypadku dolna część skali wyjściowej układu DAC jest na poziomie masy a górny zakres do napięcia zasilania. Zatem aby zrozumieć źródła szumów w takim układzie ustawmy napięcie wyjściowe z układu DAC na stały poziom. Przydatny tutaj jest analizator widma. Szum pochodzący z źródła napięcia odniesienia bardziej widoczny jest przy maksimum skali. Szumy wynikające z przenikania zniekształceń przez masę układu widoczne będą przy dolnym końcu skali. Przełączanie pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym źródłem napięcia odniesienia pozwala zdeterminować co jest jego źródłem. Co więcej warto zwrócić uwagę na interakcje pomiędzy ADC i DAC poprzez wspólne napięcie odniesienia. Zmiany napięcia wyjściowego na przetworniku DAC widoczne są jako zniekształcenia w układzie ADC. Może okazać się iż konieczne będzie dodanie zewnętrznych wzmacniaczy czy filtrów w celu kalibracji wzmocnienia czy impedancji układu.

    Zasilanie radia bez wprowadzania dodatkowego szumu

    W prezentowanym powyżej schemacie układu ASIC znajdują się trzy bloki radiowe po lewej stronie. Umieszczanie bloków radiowych w układzie ASIC jest bardzo ciekawe, umieszczony tam transmiter może blokować odbiornik. To samo może robić szum pochodzący z układów cyfrowych. Taka sytuacja to bardzo dobry przykład potknięcia w rzeczywistym układzie. Bardzo problematycznego potknięcia.

    Jakiś czas temu pewna firma dostarczyła nowoczesny telefon komórkowy który wyposażony był w funkcjonalność dostępu do poczty e-mail. Stary telefon działał bardzo dobrze i oferował bardzo wysoki SNR. Z kolei nowy telefon potrzebował wyższego poziomu sygnału do pracy. Problem z tym projektem był oczywisty. Dodatkowe układy pozwalające na obsługę funkcjonalności poczty elektronicznej generowały dodatkowy szum, co wymusiło potrzebę wyższego sygnału do działania. Konieczna była instalacja repeatera sieci komórkowej aby telefon działał poprawnie.

    Wróćmy teraz do zasadniczego tematu dyskusji. Co ta historia oznacza dla układów ASIC? Telefony komórkowe są układami dupleks, co oznacza że symultaniczne nadają i odbierają informacja na różnych częstotliwościach radiowych. Specjalizowany filtr, nazywany duplekserem, pozwala na tego typu komunikację. Pozwala on na ustrzeżenie się przed zakłóceniem odbiornika przez sygnał o wysokim natężeniu pochodzący z nadajnika. Jednakże możliwe jest iż sygnał nadajnika będzie przenikał wokół dupleksera, co wprowadzić może pewne problemy do układu. Z samego projektu tego filtra wynika iż nie jest on w stanie efektywnie odfiltrować szumu układów cyfrowych. Sygnał radiowy przechodzi przez LNA. W większości systemów pierwszy wzmacniacz w układzie definiuje jego SNR jako całości, z uwagi iż kolejne wzmacniacze na wejściu mają do dyspozycji sygnał o wyższej amplitudzie i w związku z tym nie wnoszą znacznej zmiany w SNR całego systemu.

    Najbardziej czułym elementem jest zatem LNA. Niezwykle istotne jest jego odpowiednie zasilanie. Zastąpienie normalnego rozwiązania niskoszumnym źródłem napięcia może zdziałać cuda. Transmiter radiowy może także korzystać z zewnętrznego tranzystora MOS w celu zwiększenia mocy, jeśli jest to konieczne, Układ może wymagać dodatkowej kalibracji aby nie przekroczyć maksymalnej mocy na jaką zezwalają normy FCC lub inne, zależnie od państwa gdzie działać ma układ. Na przykład jeśli jeśli, z uwagi na tolerancję elementów zastosowanych w nadajniku, moc może wahać się o 10% muszą one być zresetowane tak aby moc nadajnika była pomiędzy 80% a 100%. Aby pozostać w zgodzie z normami moc nadajnika nie może w żadnym momencie przekraczać 100%, a niższa moc oznacza mniejszy zasięg transmisji. Kalibracja finalnego układu pozwala na zwiększenie mocy tak aby zoptymalizować zasięg i jakość transmisji.

    Spójrzmy finalnie na ostatni blok pokazanego powyżej schematu. Są to "czułe układy analogowe" - nie wiemy co dokładnie się tam znajduje. Możemy jedynie zakładać co to jest - akcelerometr wykonany w technologii MEMS, ekran dotykowy a może wyświetlacz LCD albo wejście lub wyjście audio? a może czujnik natężenia światła albo wilgotności? Żyjemy w analogowym świecie i aby umożliwić pomiar jego parametrów konieczna jest digitalizacja sygnałów analogowych i ich analiza oraz analogiczna konwersja na sygnał analogowy aby móc sterować rzeczywistymi procesami.

    Finalnie w układzie włączony jest potencjometr cyfrowy służący do kalibracji kontrastu na LCD na wypadek gdyby konieczne było korzystanie z wyświetlaczy LCD różnych producentów. Dodanie takiej funkcjonalności pozwala na kalibrację kontrastu na wyświetlaczu LCD niezależnie od użytego ekranu, co czyni projektowany układ ASIC bardziej uniwersalnym i redukuje czas potrzebny na projektowanie nowego układu na wypadek zmian parametrów na przykład wyświetlacza przez zewnętrznego producenta.
    Źródła:
    http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5554


    Fajne!
  • Sklep HeluKabel