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

Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2

ghost666 06 Sty 2016 00:19 2307 0
  • W poprzedniej części artykułu omówiliśmy wstępne zagadnienia związane z przenikaniem zakłóceń z linii zasilających do toru sygnałowego w przetwornikach analogowo-cyfrowych (ADC) oraz sposób pomiaru istotnego współczynnika - PSRR - współczynnika odrzucenia wpływu zasilania.

    W poprzednim wpisie zajmowaliśmy się samą metodologią pomiaru PSRR, w poniższym wpisie dokończymy tematykę charakteryzacji przetwornika ADC interpretując rezultaty pomiarów PSRR, a także przyjrzymy się procedurze doboru elementów do konstrukcji linii zasilania ADC, dającej możliwie najlepsze wyniki, jeśli chodzi o tłumienie zakłóceń z linii zasilającej.

    Przyjrzyjmy się najpierw wynikowi charakteryzacji współczynnika PSRR dla wybranego, przykładowego ADC. Dla spójności wybranym przetwornikiem jest poczwórny 14 bitowy ADC ADC3444 o prędkości próbkowania do 125 MSPS. Ten sam przetwornik omawiany był w części pierwszej artykułu. Korzystając z metodologii tam opisanej wygenerowano wykresy następujące wykresy współczynnika PSRR:

    * PSRR dla zasilania sekcji analogowej (AVDD) w okolicy częstotliwości podstawowej w funkcji częstotliwości.
    * PSRR dla AVDD w funkcji mocy wejściowej.
    * PSRR dla zasilania sekcji cyfrowej (DVDD) w funkcji częstotliwości.

    Dla przypomnienia na rysunku 1 pokazano jakie zakłócenia generuje sygnał o częstotliwości f0 w linii zasilania: dodany do linii AVDD powoduje pojawienie się trzech pików w widmie wyjściowym: dla f0 oraz dla f ± f0. Z kolei dla zakłóceń w linii DVDD są one widoczne w widmie jedynie dla częstości f0.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys.1. Lokalizacja zakłóceń AC przenikających z napięcia zasilającego do wyjścia ADC dla linii zasilania analogowego AVDD i cyfrowego DVDD.


    Jak pokazano niżej, na rysunku 2 dokonano pełnej charakteryzacji wejść zasilania układu ADC3444 - zmierzono PSRR dla linii AVDD i DVDD. Warto nadmienić, że tak jak opisywano w części pierwszej artykułu, pomiary zrealizowane zostały z włączonymi w linie zasilania kondensatorami filtrującymi. W przypadku opisywanego układu na każdej z trzynastu nóżek zasilania sekcji analogowej dołączono kondensator filtrujący o pojemności 100 nF, a na każdej z czterech nóżek zasilania DVD kondensator 220 nF. Dało to łącznie 1,3 µF w linii AVDD i 0,88 µF w linii DVDD. Rysunek 2 przedstawia konfigurację testową dla obu linii zasilania, a rysunek 3 pokazuje wyniki pomiarów





    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys2: (a) konfiguracja układu pomiarowego dla linii AVDD; (b) konfiguracja układu pomiarowego dla linii DVDD


    Rysunek 3 pokazuje PSRR w funkcji częstotliwości dla sygnału w torze analogowym o amplitudzie -2 dBFS.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys. 3: AVDD PSRR w funkcji częstotliwości


    Analizując wykres na rysunku 3 możemy dojść do zasadniczych wniosków:

    * PSRR dla zakłóceń wokół częstotliwości f jest o około 20 dB gorsze niż PSR dla napięcia DC.
    * Oba widma PSRR są płaskie do około 200 kHz, a potem polepszają się.
    * Pogorszenie się współczynnika PSRR wokół częstotliwości f sugeruje zależność PSRR od amplitudy sygnału wejściowego. Zmierzono zatem PSRR w funkcji amplitudy sygnału wejściowego dla sygnału zmiennego (wstrzykniętego do linii zasilania) o częstotliwości równej 500 kHz. Wyniki tego pomiaru pokazano na rysunku 4.

    Dodatkowo dodać trzeba, że poprawa współczynnika PSRR w funkcji częstotliwości, obserwowana powyżej 200 kHz, nie jest efektem związanym z przetwornikiem ADC, a z faktem obecności kondensatorów filtrujących zasilanie - zakłócenia o wyższej częstotliwości są lepiej przez nie filtrowane.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys. 4: AVDD PSRR w funkcji amplitudy wejściowej sygnału analogowego.


    Pokazany powyżej wykres pozwala na zweryfikowanie czy PSRR wejścia zasilania sekcji analogowej zależne jest od amplitudy sygnału podanego na wejście analogowe przetwornika ADC. Pokazuje on zależność dB/dB prążka zakłócenia (widocznego na widmie FFT sygnału wyjściowego) od amplitudy sygnału wejściowego. Jak można odczytać z wykresu amplituda prążków wokół częstości zasadniczej (f) na widmie nachylona jest ze stałym nachyleniem, a dla prążka DC jest stała dla dowolnego sygnału w pełnym zakresie dynamiki przetwornika ADC.

    Analogiczne podejście wykorzystane zostało do charakteryzacji wejścia zasilania dla sekcji cyfrowej przetwornika. Na rysunkach 5 i 6 zaprezentowano PSRR tego wejścia. Jak łatwo zobaczyć PSRR wejścia DVDD jest o wiele lepsze - o rząd wielkości czyli 20 dB - od PSRR wejścia AVDD. Obecność kondensatorów filtrujących na wejściach zasilania także i w tymn przypadku jest odczuwalna, ale dopiero powyżej 300 kHz i nie tak mocno, jak dla linii analogowej (co tłumaczyć można m.in. mniejszą sumaryczną pojemnością kondensatorów filtrujących). Nie zaobserwowano żadnej zależności PSRR dla DVDD od amplitudy sygnału wejściowego.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys 5: DVDD PSRR w funkcji częstotliwości.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys 6: DVDD PSRR w funkcji amplitudy sygnału wejściowego.


    No tak, powyższe wykresy i ich wstępna analiza to przyjemne ćwiczenie, jednakże - co z tego wynika? Jaki są zasadnicze wnioski?

    Po pierwsze przetwornik ADC3444 jest bardziej czuły na zakłócenia w linii zasilania sekcji analogowej. Tego rodzaju zachowanie, jak zmierzone powyżej, jest typowe dla przetworników ADC i należy pamiętać, że takie zachowanie to ogólna cecha układów, więc projektując system akwizycji danych trzeba o niej pamiętać. Jako że PSRR wynosi (w najgorszym punkcie widma) 28 dB dla sygnału -2 dBFS, to przy 0 dBFS (pełen zakres wejściowym - maksymalna amplituda) PSRR będzie równy 26 dBFS, jako że poprawia się on wraz z rosnącą amplitudą sygnału wejściowego ze znaną amplitudą. Aby zabezpieczyć się na wszelki wypadek dodać musimy jakieś 10 dB zapasu, z uwagi na wahania PSRR w funkcji temperatury, rozrzut wartości dla różnych elementów etc. Zatem pozostajemy z 16 dB PSRR dla naszego układu (ADC3444) dla wejścia AVDD. Wartość 10 dB jest typową wartością, jaką powinno się przyjmować w tego rodzaju systemach.

    Wykorzystując podobne równania, jak w części pierwszej, gdy mierzyliśmy PSRR, wyznaczyć możemy maksymalną amplitudę zakłóceń w liniach zasilania, zakładając, że ADC podłączony jest bezpośrednio do zakłóconego źródła zasilania, na przykład przetwornicy DC-DC.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys 7: Konfiguracja układu podłączonego do nieidealnego zasilacza na linii AVDD.


    Projekt systemu uwzględnia tolerancję, więc z wzoru możemy wyliczyć maksymalną amplitudę zakłóceń, aby osiągnąć pewne założone parametry. Chcemy w opisywanym przykładzie, aby prążki zakłóceń z zasilacza nie były większe (na widmie FFT sygnału z ADC) niż -95 dBFS. Przy tym założeniu i założeniu najgorszego PSRR równego 16 dB możemy korzystając z poniższych równań wyznaczyć napięcie zakłóceń:

    $$V_{PPxdBFS} = V_{PP0dBFS} \times 10^{\frac {dBFS} {20}}$$


    $$V_{PP} \times 10^{\frac {-95 dB} {20}} = 35,6 \mu V_{PP}$$


    Jest to maksymalna amplituda zakłóceń wytłumionych już przez PSRR ADC, zatem na wejściu zasilania:

    $$PSRR = 20 log \frac {V_{PP zrodla}} {V_{PP zmierzone}}$$


    Czyli:

    $$V_{PP zmierzone} = V_{PP zrodla} \times 10^{\frac {PSRR} {20}} = 35,6 \mu V_{PP}*10^{\frac {16} {20}} = 224,6 \mu V_{PP}$$


    Wyznaczona wartość jest największą dopuszczalną amplitudą zakłóceń, jakie obecne mogą być w linii zasilania sekcji analogowej układu. Możemy odrobinę poluzować te wymogi poprzez:

    * Zmniejszenie zapasu PSRR z 10 dB do mniejszej wartości.
    * Nie wykorzystywanie pełnego zakresu dynamiki przetwornika ADC.
    * Zwiększenie dopuszczalnej amplitudy prążków zniekształceń na widmie powyżej -95 dBFS,

    Z kolei w przypadku linii DVDD układ będzie pracował w konfiguracji pokazanej na rysunku 8

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 2
    Rys 8: Konfiguracja układu podłączonego do nieidealnego zasilacza na linii DVDD.


    Najwyższa (najgorsza) zmierzona wartość PSRR dla linii DVDD wynosi 62 dB. Zachowując margines 10 dB, jak dla AVDD i wymóg nieprzekraczania -95 dBFS dla zakłóceń w systemie, maksymalne napięcie międzyszczytowe zakłóceń w liniach zasilania sekcji cyfrowej wynosi 14,17 mV (!).

    Powyższe obliczenia pokazują (wraz z poprzednią częścią artykułu) w jaki sposób zmierzyć PSRR ADC i wyznaczyć maksymalną amplitudę zakłóceń, obecnych w liniach zasilających. Wiedza zawarta w tych dwóch częściach artykułu o projektowaniu sekcji zasilających przetworniki ADC pozwala także na ocenę wpływu zakłóceń o znanej amplitudzie na sygnał w torze. Pamiętać także należy, że analogiczna metodologia może być zastosowana do rozważania układów DAC.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/02/18/adc-power-supply-rejection-calculating-allowed-supply-ripple


    Fajne!