Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1

ghost666 29 Gru 2015 14:00 3330 0
  • Czy napotkałeś kiedyś sytuację, że układ odbiegał swoimi osiągami od spodziewanych parametrów? Projekt całego toru sygnałowego był wręcz idealny, a nadal coś się nie zgadzało? Często okazuje się, że winę za to ponosi system zasilający. W cyklu artykułów, rozpoczynającym się z tym wpisem, opiszemy kilka istotnych kwestii związanych z projektowaniem systemów zasilania dla układów zawierających przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC). Artykuły nie będą przedstawiały gotowych rozwiązań i aplikacji - mają za zadanie zwrócić uwagę czytelników na istotne parametry systemu zasilania i układów ADC, mające ogromny wpływ na poprawność współdziałania tory sygnałowego i zasilacza w urządzeniu.

    Redukowanie problemów w systemach z szybkimi układami analogowo-cyfrowymi

    W szybkim torze sygnałowym, mamy do czynienia z dwoma rodzajami układów - 1) Tor odbiorczy, wraz z wzmacniaczami i przetwornikiem ADC oraz 2) Tor nadawczy oparty o przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) i wzmacniacz wyjściowy. Poniższy tekst ma za zadanie zaprezentować jaki jest wpływ zasilacza na działanie tych dwóch rodzajów szczególnych torów sygnałowych.

    Elementem wprowadzającym w każdym systemie szum do linii zasilających jest przetwornica DC-DC, zasilająca układ. Charakter generowanego przez ten układ szumu jest podobny, do zakłóceń generowanych w samym układzie - torze sygnałowym. W zasilaczu do czynienia mamy z szumem:

    * Różowym - typu 1/f - od 0 do około 1 kHz.
    * Białym - o płaskim pasmie - do około 30 kHz.
    * Szumie cieplnym elementów, który płasko spada przy około 30 kHz z uwagi na ograniczone pasmo wzmacniaczy błędu w układzie.
    * Szumie przełączania obecnym na częstotliwości przełączania kluczy przetwornicy i ich harmonicznych (wielokrotnościach).

    Na rysunku pierwszym zaprezentowani widmo szumu w linii zasilania stabilizowanej przez przykładową przetwornicę. Widoczne są wszystkie rodzaje szumów, opisane powyżej.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 1. Widmo szumu w zasilaniu stabilizowanym przez przetwornicę typu buck.


    Szum w układzie ma dwie główne składowe w widmie - szum cieplny i szum przełączania. Każda składowa ma inny wpływ na naszą aplikację, więc to którego rodzaju szumu eliminacja jest istotniejsza mocno zależy od konkretnego układu.

    Jeśli w systemie stosujemy techniki uśredniania pomiaru - na przykład w torze analogowym lub dalej, na etapie cyfrowej obróbki danych - szum termiczny nie ma wielkiego znaczenia, a szum przełączania ma - produkować będzie tak zwane duchy sygnałów. Jeśli rozdzielczość systemu pomiarowego jest niewielka (od 8 do 10 bitów), to żaden z szumów w zasadzie nie będzie miał silnego wpływu na sygnał, a do stabilizacji napięcia zasilającego ADC/DAC wystarczyć może konwencjonalna przetwornica DC-DC. Jeśli z kolei dokonujemy transmisji danych z dużą prędkością i potrzebujemy w układzie dużej dynamiki, wymagania co do jakości linii zasilających będą przekraczały możliwości samej przetwornicy. W takiej sytuacji do linii dodać musiły stabilizator liniowy, który pozwoli na redukcję obu rodzajów szumów - cieplnych i przełączania.

    I na tym etapie zaznajomić musimy się z stabilizatorami LDO (o niskim spadku napięcia). Dla zachowania wysokiej wydajności systemu zasilania zminimalizować musimy spadek napięcia na tym liniowym elemencie, tak aby nie przekraczał 100 mV dla prądu z jakim ma pracować. Warto pamiętać, że jako że jest to układ liniowy, spadek napięcia może zmieniać się z prądem, tak wiec element który ma 1 V spadku napięcia dla prądu 1 A dla prądu na poziomie 100 mA będzie miał 100 mV spadku - nachylenie krzywej w tym wypadku wynosi 1 Ω.

    Nowoczesne stabilizatory LDO charakteryzują się spadkiem napięcia, dla maksymalnego prądu wyjściowego, na poziomie 200 mV. Na przykład TPS7A8300 charakteryzuje się spadkiem napięcia na poziomie 200 mV niezależnie od warunków pracy - temperatury, napięcia wejściowego etc - dla prądu wyjściowego do 2 A. Jeśli do układu dołączy się dodatkowe napięcia polaryzujące elementy (nie wymagane dla napięć zasilających powyżej 1,4 V) to maksymalny spadek napięcia zmniejszyć można do 125 mV (patrz tabela 1). Ustalając jaki może być spadek napięcia na LDO uwzględnić trzeba tolerancję wszystkich elementów w układzie - zasilacza systemu, wejścia ADC oraz parametry zmiennoprądowe zasilanego układu, takie jak PSRR (o którym później i w kolejnych częściach cyklu). Im większy spadek napięcia na elemencie, tym lepsze będzie PSRR, ale z drugiej strony - wyższy spadek napięcia jest synonimem większych strat cieplnych układu.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Tabela 1. Spadek napięcia na stabilizatorze TPS7A8300


    Ilość ciepła rozpraszaną na stabilizatorze LDO możemy w przybliżeniu opisać równaniem:

    $$P_D = (V_{IN} - V_{OUT}) \times I_{OUT}$$(1)


    Nie uwzględnia się tutaj prądu masy, co jest łatwe do zrozumienia - zawsze jest on kilka rzędów mniejszy niż prąd obciążenia. Nie jest to w pełni zasadne dla bardzo niewielkich obciążeń, więc pamiętać o tym należy obciążając wyjście LDO niewielkim tylko prądem.

    Wydajność LDO opisać więc możemy równaniem:

    $$\xi = \frac {P_{OUT}} {P_{IN}} = \frac {V_{OUT}} {V_{IN}} \times 100%$$(2)


    Przy spadkach napięcia, takich jak występują np. w układzie TPS7A8300, to jest około 250 mV, możliwa jest praca LDO z wydajnością około 83% dla napięcia wyjściowego 1,25 V. Gdy napięcie wyjściowe zwiększa się, zwiększa się również wydajność - dla stabilizowanego napięcia na poziomie 1,8 V przy tym samym spadku napięcia wydajność to już niemalże 88%.

    Wykorzystując stabilizator LDO za przetwornicą DC-DC w torze zasilania urządzenia zmniejszamy poziom szumów w linii zasilającej - tak szumów cieplnych, jak i pochodzących od przełączania kluczy w przetwornicy. Niskoszumny LDO (np. TPS7A8300, mający szumy na poziomie zaledwie 6 µVRMS) wykazujący się wysokim PSRR (60 dB przy 1 MHz) może istotnie poprawić jakość zasilania. Na Rysunku 2 porównano wpływ takiego stabilizatora z wykorzystaniem prostego podwójnego filtra typu π.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 2. Porównanie TPS7A8300 vs. filtr π.


    Wykorzystanie stabilizatora LDO zamiast filtra analogowego pozwoli nie tylko na zmniejszenie poziomu szumów w zasilaniu, ale także na zmniejszenie powierzchni zajmowanej przez układy zasilania na płytce drukowanej. LDO nie pogorszy wyraźnie wydajności energetycznej układu, jako że moc tracona na tym elemencie jest minimalna, a elementy fitra analogowego też wprowadzają jakąś rezystancję do linii zasilającej.

    Zatem gdy nie jesteśmy w stanie w prosty sposób namierzyć źródła szumu, lub gdy nie znajduje się ono bezpośrednio w torze sygnałowym, warto rozważyć zastosowanie wysokiej klasy stabilizatora LDO do stabilizacji linii zasilania dla ADC. Wykorzystanie LDO zmniejsza poziom szumów w układzie, a jednocześnie nie pogarsza istotnie wydajności układu. Poprawa jakości zasilania ma istotny wpływ na jakość pracy i kluczowe parametry przetwornika ADC.

    Pomiar PSRR w przetworniku ADC

    Aby móc ocenić jaki wpływ na działanie ADC ma jakość napięcia zasilającego, co może pozwolić nam na dokonanie oceny czy konieczne jest wykorzystanie na przykład stabilizatora LDO, jest wyznaczenie PSRR. PSRR to, tak zwany, współczynnik odrzucenia wpływu zasilania. PSRR, wyrażany jest w decybelach i mówi o tym, jak bardzo tłumione są zakłócenia pomiędzy liniami zasilania, a wyjściem cyfrowym ADC (lub wyjściem analogowym, jeśli analizować będziemy przetwornik DAC).

    Układy ADC wymagają jednej lub kilku linii zasilających, których czułość na zakłócenia jest różna. Nie uwzględnienie jej może spowodować, że szum w napięciu zasilającym przenikać będzie do pomiarów, zakłócając wyniki. Przenikanie zakłóceń z zasilania do danych jest niezależne od taktowania układu, jitteru i innych przyczynków do błędów pomiarowych, które każdemu inżynierowi, projektującemu systemy pomiarowe, powinno być dosyć znane (na elektrodzie ukazało się szereg artykułów na ten temat, zwłaszcza jeśli chodzi o szum fazowy - jitter - przyp.red.). W poniższym tekście skupimy się na wpływie jakości zasilania na przykładowy przetwornik - ADC3444. Jest to czterokanałowy przetwornik ADC o rozdzielczości 14 bitów i prędkości próbkowania do 125 Mbps.

    Patrząc w jego kartę charakterystyki (rysunek 3, poniżej) widzimy, że układ potrzebuje dwie linie zasilające - 1,8 V zasilania sekcji analogowej oraz 1,8 V zasilania sekcji cyfrowej. W sekcji 7.7 i 11 karty katalogowej układu znajdują się następujące dane:

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 3. Charakterystyki elektryczne - PSRR - przykładowych przetworników ADC.


    Podczas oceny parametrów przetwornika ADC, jego konstrukcja wiele nam ułatwia - jest swoim własnym digitizerem. Interesuje nas widmo FFT sygnału wyjściowego, zebranego podczas akwizycji sygnału z pojedynczym tonem - sinusoidą o określonych parametrach - podczas gdy do zasilania dodajemy coraz większe ilości zakłóceń o pewnej znanej częstotliwości. Nie interesuje nas szerokopasmowy szum w zasilaniu, jedynie pojedyncza częstotliwość dodana do zasilania (DC). Aby zrealizować pomiar zasilany układ poprzez system oparty o wzmacniacz mocy. Schemat zasilacza zaprezentowano na rysunku czwartym, poniżej.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 4. Układ do testowania PSRR z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego dużej mocy.


    Warto zwrócić uwagę, że wzmocnienie stałoprądowe układu wynosi 1 V/V. Niewielki rezystor izolujący wykorzystany jest do ustabilizowania pracy układu, gdyż jego obciążenie będzie miało charakter pojemnościowy

    Przyjrzyjmy się jedynie charakterowi wpływu zasilania na nasz przetwornik ADC, dla pojedynczej częstotliwości. Widmem PSRR dla całego spektrum zajmiemy się później. Jako że układ ADC ma bardzo szerokie pasmo w części analogowej, spodziewamy się, że PSRR zasilania sekcji analogowej będzie płaski aż do granicy pasma w wysokich częstotliwościach. W przypadku omawianego układu (ADC3444) pasmo wejścia analogowego wynosi 540 MHz. Warto pamiętać, że dodanie kondensatorów filtrujących linie zasilania poprawi w istotny sposób PSRR układu, jako że najwyższe częstotliwości zostaną przezeń odfiltrowane.

    Konfiguracja testowa pokazana na rysunku piątym nie uwzględnia żadnych różnic pomiędzy pinami zasilania analogowego (AVDD) i cyfrowego (DVDD). Aby odizolować wpływ jednej i drugiej linii zasilania, zakłócenia podawane są tylko na jedno z wejść w danym momencie. Do każdej nóżki zasilania dołączono kondensator filtrujący. Do każdej z trzynastu nóżek AVDD dołączono kondensatory X7R o pojemności 100 nF, analogicznie zrobiono z czterema pinami DVDD, do każdej podłączając kondensator o pojemności 220 nF.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 5. Konfiguracja testowa.


    Na rysunku szóstym zaprezentowano wyniki testów dla badanego układu. Każdy wykres pokazuje widmo FFT sygnału analogowego. Na osi X znajduje się częstotliwość, a na osi Y amplituda poszczególnych składowych. W poniższym przykładzie wykorzystano zegar 100 MHz, co daje pasmo sygnału równe 50 MHz. Do ADC podłączono sygnał analogowy o częstotliwości 19,8 MHz i amplitudzie -2 dBFS (2 dB poniżej pełnej skali ADC).

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 6. Wyniki testu dla układu ADC3444 - widmo FFT wyjścia, gdy do żadnej linii zasilania nie podłączono zakłóceń.


    Aby wyznaczyć PSRR przetwornika ADC musimy skorzystać z następującej procedury:

    1. Podłączamy do testowanego zasilacza układ pokazany na rysunku 4
    2. Do drugiej linii zasilania podłączamy zasilacz DC, w którym nie dodano zakłóceń.
    3. Podajemy na wejścia - analogowe wejście ADC i wejście AC zasilacza z szumem - sygnały sinusoidalne i mierzymy widmo sygnału cyfrowego z pomocą FFT.

    Na rysunku 7 widać odpowiedź układu, gdy zakłócenia podamy na pin zasilania analogowego AVDD. Jakom że wszystkie pozostałe parametry pracy są takie same, wszystkie degradacje jakości sygnału, jakie widzimy na FFT, pochodzą z szumu dodanego do linii zasilania AVDD.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 7. Odpowiedź układu ADC3444 na dodanie 100 mVpp 1 MHz sinusoidy do zasilania (1,8 V) AVDD.


    Analogiczny eksperyment wykonujemy następnie dla linii zasilania DVDD, wynik pomiarów pokazano na rysunku piątym. Tym razem zakłócenia obecne są tylko w linii DVDD.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 8. Odpowiedź układu ADC3444 na dodanie 100 mVpp 1 MHz sinusoidy do zasilania (1,8 V) DVDD.


    Gdy zakłócenie doda się do linii analogowej - AVDD - na widmie sygnału wyjściowego (rysunek 7) pojawiają się trzy dodatkowe prążki - przy 1 MHz, 18,8 MHz i 20,8 MHz. Pierwszy prążek to prążek, którego się spodziewamy - dodaliśmy w końcu taki sygnał do zasilania. Dwa pozostałe prążki znajdują się o 1 MHz w obie strony od częstotliwości środkowej toru analogowego w ADC. Analogicznie, przy dodaniu zakłóceń do linii DVDD, prążek pojawia się przy 1 MHz. Pozostałe nie są obecne, przy zakłóceniach w linii zasilania sekcji cyfrowej.

    Rysunek dziewiąty podsumowuje lokalizację poszczególnych prążków na widmie dla zakłóceń w sekcji analogowej i cyfrowej. Amplitudy pokazane na tym rysunku mają charakter opisowy, nie jakościowy ani ilościowy i nie powinny być tak traktowane.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 1
    Rys. 9. Lokalizacja prążków na widmie FFT dla sygnałów dodawanych do linii zasilania AVDD oraz DVDD badanego układu.


    Teraz, gdy zmierzyliśmy już widma, czeka nas ich interpretacja, aby wyznaczyć wartość współczynnika PSRR dla tych układów przy 1 MHz. Sygnał zakłócenia o amplitudzie 100 mV dodany do sygnału, pozwala na obserwację zakłóceń w widmie stanowczo powyżej poziomu szumu układu, a jednocześnie napięcie zasilania zwiększone o 100 mV nie przekracza dopuszczalnych napięć na wejściach AVDD i DVDD.

    Korzystając ze zmierzonych widm spróbujmy przetłumaczyć widma wyskalowane w dBFS na współczynnik PSRR. Pamiętamy, że amplituda sygnału podstawowego wynosi -2 dBFS. Z karty katalogowej układu ADC3444 odczytujemy, że 0 dBFS to 2 Vpp, więc możemy przetłumaczyć dBFS na Vpp. Korzystamy z równania pierwszego, poniżej:

    $$V_{PP - x dBFS} = V_{PP 0 dBFS} \times 10^{\frac {x dBFS} {20}}$$(3)


    Jeśli zastosujemy je teraz do naszej podstawowej częstości o amplitudzie -2 dBFS, napięcie różnicowe na wejściu przetwornika ADC wyniesie:

    $$V_{PP -2 dBFS} = V_{PP 0 dBFS} \times 10^{\frac {-2 dBFS} {20}} = 1,59 V_{PP}$$



    Teraz możemy zastosować taką samą metodologię do prążków szumu. Przeliczyć musimy 100 mV sygnału wstrzykniętego do AVDD na dBFS. Prążki widoczne w widmie mają -95 dBFS przy sygnale podstawowym równym -2 dBFS. Amplituda sygnału -95 dBFS wyniesie:

    $$V_{PP -95 dBFS} = V_{PP 0 dBFS} \times 10^{\frac {-95 dBFS} {20}} = 0,036 mV_{PP}$$


    PSRR obliczamy korzystając z równania drugiego, poniżej:

    $$PSRR = 20log \frac {V_{PP source}} {V_{PP zmierzone}}$$(4)


    Jeśli do równania 2 podstawimy teraz liczby jakie uzyskaliśmy z poprzednich obliczeń uzyskamy wartość PSRR (w dB):

    $$PSRR = 20 log \frac {100 mV_{PP}} {0,036 mV_{PP}} = 69 dB$$


    Jeśli powtórzymy całą procedurę dla większej ilości częstotliwości zakłóceń to z łatwością będziemy mogli otrzymać widmo współczynnika PSRR dla badanego przetwornika ADC. Warto pamiętać, że wyznaczony w ten sposób PSRR obejmuje w swoim modelu wpływ kondensatorów filtrujących zasilanie układu.

    W kolejnych cyklach omówimy jak PSRR wpływa na pracę układu i jak dobierać elementy do sekcji zasilania, aby uzyskać system pomiarowy, spełniający zadane mu parametry.

    Źródła:
    https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2014/11/18/reducing-high-speed-signal-chain-power-supply-issues
    https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/01/24/measuring-psrr-in-an-adc

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9348 postów o ocenie 6931, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO