W poprzednich częściach cyklu (część 1, część 2, część 3) omawialiśmy kwestie związane z pomiarem współczynnika odrzucenia wpływu zasilania (PSRR) oraz obliczaniem parametrów zasilania, dla jakich uzyskać można konkretne parametry pracy przetwornika ADC - maksymalnej amplitudy zakłóceń pochodzących z zasilania w widmie FFT wyjściowym sygnału z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Omówiliśmy także zagadnienia wstępne związane z projektowaniem przetwornic DC-DC, w szczególności związane z generowanym przez nie szumem w liniach zasilania oraz jego zależnością od różnych parametrów pracy.
W poniższym artykule wykorzystamy naszą wiedzę na temat współczynnika PSRR przetworników ADC tak, aby móc wyznaczyć SNR - stosunek sygnału do szumu - takiego układu zasilanego znaną nam przetwornicą DC-DC. Oczywiście takie podejście jak zaprezentowane w tekście nie jest optymalne - zajmuje bardzo dużą powierzchnię na płytce drukowanej, ale przedstawione poniżej dane pozwalają zaprezentować, jaki jest minimalny wpływ przetwornicy impulsowej na przetwornik. W realnej aplikacji musimy pamiętać o tym, że "najlepsze rozwiązanie" to takie, które bierze pod uwagę nie tylko zaprezentowane poniżej parametry, ale także kwestie związane z kosztami układu czy wielkością PCB.
W poprzedniej części artykułu prezentowano wpływ przetwornicy DC-DC na ADC w sytuacji niewielkiego obciążenia tej pierwszej. To bardzo dobry, modelowy przykład, jednakże w realnej sytuacji przetwornica będzie obciążona w dużo większym stopniu. Przyjrzyjmy się zatem sytuacji, w której z przetwornicy zasilany jest nie tylko ADC, ale inne obciążenie pobierające 2 A (z przetwornicy DC/DC o wydajności prądowej równej 3 A). Bazując na poprzednich częściach wybierzemy tutaj, jako przykład, ten sam konwerter - 14-bitowy ADC3444 o prędkości próbkowania 125 MSPS oraz konwerter DC/DC TPS54120 z wbudowanym stabilizatorem liniowym LDO, którego jednak nie będziemy na tym etapie wykorzystywać.
Przyjrzyjmy się najpierw wyjściu z przetwornicy TPS54120. Rysunek 1 pokazuje widmo FFT napięcia z przetwornicy dla różnych obciążeń. Na osi odciętych jest częstotliwość, a na osi rzędnych amplituda wyrażona w decybelach.
Rys.1: Spektrum napięcia wyjściowego z przetwornicy TPS54120 w funkcji obciążenia.
Amplituda przy częstotliwości przełączania kluczy przetwornicy zwiększa się wraz z obciążeniem układu zasilania. Przy zwiększeniu, na przykład, od braku obciążenia do 2 A amplituda obserwowana na 500 kHz (częstotliwość kluczowania w układzie) wzrasta z -58 dBm do -38 dBm. Moc, obecna w częstotliwościach harmonicznych, także rośnie, na przedstawionym wykresie obserwować to można jako zwiększająca się amplituda - napięcie międzyszczytowe - dla danej częstotliwości.
Wykorzystując przetwornicę DC-DC TPS54120 stabilizującą 1,8 V wraz z filtrem π do zasilania linii cyfrowej (DVDD), a zasilając sekcję analogową ADC (linia AVDD) z stabilizatora LDO w układzie TPS7A47 zmierzyliśmy parametry pracy ADC i porównaliśmy z wynikami odniesienia. Poziom odniesienia to widmo FFT zebrane z ADC zasilanego z baterii z stabilizatorem liniowym LDO TPS7A47 na każdej linii - AVDD i DVDD. Pomiarów dokonano obciążając przetwornicę DC-DC - samym ADC lub dociążając dodatkowo obciążeniem pobierającym prąd równy 2 A. Wyniki pomiarów pokazano na rysunku 2.
Rys.2: Widmo wyjściowe układu TPS54120 z koralikiem ferrytowym na linii DVDD.
Tak jak można było się spodziewać, jakość sygnału pogarsza się głównie przy częstotliwości przełączania. Zaskakujące pogorszenie o 10 dB w zakresie spektralnym od 4 MHz do 8 MHz oraz pogorszenie o 5 dB w okolicy tonu 19,8 MHz jest trudniejsze do wytłumaczenia. Wynika ono z słabej filtracji linii DVDD i niewielkiej zależności tego zakłócenia od obciążenia przetwornicy DC/DC.
Niezależnie od wysokiego PSRR opisywanego przetwornika ADC (ADS3444) dla linii DVDD nie należy implementować w tym miejscu przetwornicy DC-DC (bez dodatkowej filtracji - przyp. red.). Jak pamiętamy z poprzedniej części pomiar współczynnika odrzucenia wpływu zasilania na ADC dokonywany był z pojedynczą sinusoidą z niewielkim szumem fazowym. Zakłócenia pochodzące z przetwornicy DC-DC mają wysoki szum i nie są gładkimi sinusoidami - są bardzo zniekształcone. Rysunek 1 pokazuje, że zniekształcenia harmoniczne mają - 20 dBc przy HD2, -30 dBc przy HD3 oraz -35 dBc dla HD4 i HD5. Połączenie wysokiego poziomu szumu fazowego w przetwornicy z obecnością częstotliwości harmonicznych głównej częstotliwości przełączania kluczy w przetwornicy tłumaczy charakter zakłóceń obserwowany na widmie FFT pokazanym na rysunku 3. Zakłócenia te są widoczne w widmie pomimo filtra dolnoprzepustowego o częstotliwości granicznej równej 32 kHz złożonego z koralika ferrytowego i pojemności filtrującej zasilanie ADS3444.
Rys.3: Linia DVDD z koralikiem ferrytowym - porównane detale.
Patrząc na zakres spektralny od napięcia stałego do 5 MHz na rysunku 3, łatwo zauważyć można, że to, co już wiemy o PSRR i co pisane było poprzednio - jest prawdziwe. W tym zakresie częstości dodatkowe obciążenie 2 A podłączone do przetwornicy DC-DC powoduje zwiększenie amplitudy zakłóceń obecnych w widmie, tak jak widać to na rysunku 1. Rysunek 4 pokazuje porównanie dla zasilania AVDD.
Rys.4: Porównanie dla różnych obciążeń w linii AVDD
Wpływ przetwornicy DC-DC z prostym filtrem typu π na wyjście z AVDD ma podobny charakter jak dla linii DVDD - zakłócenia widoczne są przy napięciu stałym (DC) oraz w zakresie od 4 MHz do 8 MHz i wokół sygnału wejściowego do przetwornika ADC.
Ponieważ linia zasilania analogowego - AVDD - jest bardziej czuła na zakłócenia niż zasilanie sekcji cyfrowej - DVDD - pogorszenie jakości toru sygnałowego jest o wiele większe niż dla zasilania z przetwornicy DC-DC linii DVDD. Co więcej, zwiększenie amplitudy zakłóceń jest bardziej drastyczne w funkcji zwiększania obciążenia przetwornicy niż w przypadku sekcji cyfrowej. Pasmo zakłóceń jest także szerzej rozciągnięte niż w przypadku zasilania sekcji cyfrowej: zakłócenia pojawiają się także przy częstotliwościach równych około 10 MHz i 46 MHz.
Filtrowanie tych niepożądanych sygnałów z linii zasilania z przetwornicy DC-DC jest możliwe, ale wymagałoby zastosowania wielu filtrów typu π na każdej z linii zasilających, co jest niezwykle kosztowne, tak jeśli chodzi o powierzchnię na płytce drukowanej, jak i koszt elementów układu.
Rys.5: Porównanie widma FFT wyjścia z przetwornika ADC zasilanego przetwornicą DC-DC TPS54120 z koralikiem ferrytowym w linii w zakresie spektralnym od prądu stałego do 5 MHz.
Rysunek 5 pokazuje w przybliżeniu - w zakresie od prądu stałego do częstotliwości 5 MHz - szczegóły pasma. Filtr typu π zastosowany w układzie dobrze się sprawdza - tłumi tak szum termiczny, jak i zakłócenia w linii zasilania. Dodatkowo, warto pamiętać, że sygnał odniesienia - referencyjne widmo FFT - zmierzone zostało dla zasilania z baterii poprzez bardzo niskoszumny stabilizator liniowy LDO charakteryzujący się bardzo wysokim PSRR - TPS7A47. Stabilizatory tego rodzaju zasilały tak linię DVDD, jak i AVDD.
Rys.6: Porównanie wpływu linii zasilania analogowego (AVDD) z przetwornicy DC-DC TPS54120 z koralikiem ferrytowym na działanie ADC wokół częstotliwości równych 15,6 MHz i 23,8 MHz.
Rysunek 6 pokazuje w przybliżeniu co dzieje się w okół digitalizowanego sygnału. Gdy przyjrzymy się z bliska wykresowi, to można dostrzec, iż zakłócenia o podobnym charakterze pojawiają się w widmie odniesienia - oznacza to, że nie pochodzą one z układu zasilającego. Częstotliwości, przy jakiej pojawiają się te zakłócenia, nie korespondują z częstotliwością przełączania przetwornicy równej ok. 500 kHz. Dodatkowo na rysunku 6 widać, jak zniekształcenia harmoniczne i szum fazowy z przetwornicy DC-DC oddziałują z zniekształceniami w przetworniku ADC.
Nie widać w widmie żadnych zniekształceń w okolicy 500 kHz - częstotliwości przełączania kluczy w przetwornicy oraz 19,8 MHz - okolicy digitalizowanego na ADC sygnału. Oznacza to, że wykorzystana kombinacja filtrów typu π w zasilaniu i niższa amplituda wejściowa (-17 dBFS) jest wystarcza do realizacji filtracji.
Jako pokazano powyżej, wykorzystanie przetwornicy DC-DC do zasilania przetwornika ADC jest w stanie poważnie pogorszyć stosunek sygnału do szumu i wolny od zakłóceń zakres dynamiki przetwornika. W kolejnej części omówimy jakiego rodzaju filtrację linii zasilających można zastosować i w jakiej aplikacji użyć przetwornic, aby zminimalizować ten problem. Pozwoli to stworzyć idealny system zasilania przetworników ADC, minimalizujący negatywny wpływ zasilania na układ, a jednocześnie osiągający wysoką wydajność konwersji i zajmujący niewielką powierzchnię na PCB.
Źródło: Link
W poniższym artykule wykorzystamy naszą wiedzę na temat współczynnika PSRR przetworników ADC tak, aby móc wyznaczyć SNR - stosunek sygnału do szumu - takiego układu zasilanego znaną nam przetwornicą DC-DC. Oczywiście takie podejście jak zaprezentowane w tekście nie jest optymalne - zajmuje bardzo dużą powierzchnię na płytce drukowanej, ale przedstawione poniżej dane pozwalają zaprezentować, jaki jest minimalny wpływ przetwornicy impulsowej na przetwornik. W realnej aplikacji musimy pamiętać o tym, że "najlepsze rozwiązanie" to takie, które bierze pod uwagę nie tylko zaprezentowane poniżej parametry, ale także kwestie związane z kosztami układu czy wielkością PCB.
W poprzedniej części artykułu prezentowano wpływ przetwornicy DC-DC na ADC w sytuacji niewielkiego obciążenia tej pierwszej. To bardzo dobry, modelowy przykład, jednakże w realnej sytuacji przetwornica będzie obciążona w dużo większym stopniu. Przyjrzyjmy się zatem sytuacji, w której z przetwornicy zasilany jest nie tylko ADC, ale inne obciążenie pobierające 2 A (z przetwornicy DC/DC o wydajności prądowej równej 3 A). Bazując na poprzednich częściach wybierzemy tutaj, jako przykład, ten sam konwerter - 14-bitowy ADC3444 o prędkości próbkowania 125 MSPS oraz konwerter DC/DC TPS54120 z wbudowanym stabilizatorem liniowym LDO, którego jednak nie będziemy na tym etapie wykorzystywać.
Przyjrzyjmy się najpierw wyjściu z przetwornicy TPS54120. Rysunek 1 pokazuje widmo FFT napięcia z przetwornicy dla różnych obciążeń. Na osi odciętych jest częstotliwość, a na osi rzędnych amplituda wyrażona w decybelach.
Rys.1: Spektrum napięcia wyjściowego z przetwornicy TPS54120 w funkcji obciążenia.
Amplituda przy częstotliwości przełączania kluczy przetwornicy zwiększa się wraz z obciążeniem układu zasilania. Przy zwiększeniu, na przykład, od braku obciążenia do 2 A amplituda obserwowana na 500 kHz (częstotliwość kluczowania w układzie) wzrasta z -58 dBm do -38 dBm. Moc, obecna w częstotliwościach harmonicznych, także rośnie, na przedstawionym wykresie obserwować to można jako zwiększająca się amplituda - napięcie międzyszczytowe - dla danej częstotliwości.
Wykorzystując przetwornicę DC-DC TPS54120 stabilizującą 1,8 V wraz z filtrem π do zasilania linii cyfrowej (DVDD), a zasilając sekcję analogową ADC (linia AVDD) z stabilizatora LDO w układzie TPS7A47 zmierzyliśmy parametry pracy ADC i porównaliśmy z wynikami odniesienia. Poziom odniesienia to widmo FFT zebrane z ADC zasilanego z baterii z stabilizatorem liniowym LDO TPS7A47 na każdej linii - AVDD i DVDD. Pomiarów dokonano obciążając przetwornicę DC-DC - samym ADC lub dociążając dodatkowo obciążeniem pobierającym prąd równy 2 A. Wyniki pomiarów pokazano na rysunku 2.
Rys.2: Widmo wyjściowe układu TPS54120 z koralikiem ferrytowym na linii DVDD.
Tak jak można było się spodziewać, jakość sygnału pogarsza się głównie przy częstotliwości przełączania. Zaskakujące pogorszenie o 10 dB w zakresie spektralnym od 4 MHz do 8 MHz oraz pogorszenie o 5 dB w okolicy tonu 19,8 MHz jest trudniejsze do wytłumaczenia. Wynika ono z słabej filtracji linii DVDD i niewielkiej zależności tego zakłócenia od obciążenia przetwornicy DC/DC.
Niezależnie od wysokiego PSRR opisywanego przetwornika ADC (ADS3444) dla linii DVDD nie należy implementować w tym miejscu przetwornicy DC-DC (bez dodatkowej filtracji - przyp. red.). Jak pamiętamy z poprzedniej części pomiar współczynnika odrzucenia wpływu zasilania na ADC dokonywany był z pojedynczą sinusoidą z niewielkim szumem fazowym. Zakłócenia pochodzące z przetwornicy DC-DC mają wysoki szum i nie są gładkimi sinusoidami - są bardzo zniekształcone. Rysunek 1 pokazuje, że zniekształcenia harmoniczne mają - 20 dBc przy HD2, -30 dBc przy HD3 oraz -35 dBc dla HD4 i HD5. Połączenie wysokiego poziomu szumu fazowego w przetwornicy z obecnością częstotliwości harmonicznych głównej częstotliwości przełączania kluczy w przetwornicy tłumaczy charakter zakłóceń obserwowany na widmie FFT pokazanym na rysunku 3. Zakłócenia te są widoczne w widmie pomimo filtra dolnoprzepustowego o częstotliwości granicznej równej 32 kHz złożonego z koralika ferrytowego i pojemności filtrującej zasilanie ADS3444.
Rys.3: Linia DVDD z koralikiem ferrytowym - porównane detale.
Patrząc na zakres spektralny od napięcia stałego do 5 MHz na rysunku 3, łatwo zauważyć można, że to, co już wiemy o PSRR i co pisane było poprzednio - jest prawdziwe. W tym zakresie częstości dodatkowe obciążenie 2 A podłączone do przetwornicy DC-DC powoduje zwiększenie amplitudy zakłóceń obecnych w widmie, tak jak widać to na rysunku 1. Rysunek 4 pokazuje porównanie dla zasilania AVDD.
Rys.4: Porównanie dla różnych obciążeń w linii AVDD
Wpływ przetwornicy DC-DC z prostym filtrem typu π na wyjście z AVDD ma podobny charakter jak dla linii DVDD - zakłócenia widoczne są przy napięciu stałym (DC) oraz w zakresie od 4 MHz do 8 MHz i wokół sygnału wejściowego do przetwornika ADC.
Ponieważ linia zasilania analogowego - AVDD - jest bardziej czuła na zakłócenia niż zasilanie sekcji cyfrowej - DVDD - pogorszenie jakości toru sygnałowego jest o wiele większe niż dla zasilania z przetwornicy DC-DC linii DVDD. Co więcej, zwiększenie amplitudy zakłóceń jest bardziej drastyczne w funkcji zwiększania obciążenia przetwornicy niż w przypadku sekcji cyfrowej. Pasmo zakłóceń jest także szerzej rozciągnięte niż w przypadku zasilania sekcji cyfrowej: zakłócenia pojawiają się także przy częstotliwościach równych około 10 MHz i 46 MHz.
Filtrowanie tych niepożądanych sygnałów z linii zasilania z przetwornicy DC-DC jest możliwe, ale wymagałoby zastosowania wielu filtrów typu π na każdej z linii zasilających, co jest niezwykle kosztowne, tak jeśli chodzi o powierzchnię na płytce drukowanej, jak i koszt elementów układu.
Rys.5: Porównanie widma FFT wyjścia z przetwornika ADC zasilanego przetwornicą DC-DC TPS54120 z koralikiem ferrytowym w linii w zakresie spektralnym od prądu stałego do 5 MHz.
Rysunek 5 pokazuje w przybliżeniu - w zakresie od prądu stałego do częstotliwości 5 MHz - szczegóły pasma. Filtr typu π zastosowany w układzie dobrze się sprawdza - tłumi tak szum termiczny, jak i zakłócenia w linii zasilania. Dodatkowo, warto pamiętać, że sygnał odniesienia - referencyjne widmo FFT - zmierzone zostało dla zasilania z baterii poprzez bardzo niskoszumny stabilizator liniowy LDO charakteryzujący się bardzo wysokim PSRR - TPS7A47. Stabilizatory tego rodzaju zasilały tak linię DVDD, jak i AVDD.
Rys.6: Porównanie wpływu linii zasilania analogowego (AVDD) z przetwornicy DC-DC TPS54120 z koralikiem ferrytowym na działanie ADC wokół częstotliwości równych 15,6 MHz i 23,8 MHz.
Rysunek 6 pokazuje w przybliżeniu co dzieje się w okół digitalizowanego sygnału. Gdy przyjrzymy się z bliska wykresowi, to można dostrzec, iż zakłócenia o podobnym charakterze pojawiają się w widmie odniesienia - oznacza to, że nie pochodzą one z układu zasilającego. Częstotliwości, przy jakiej pojawiają się te zakłócenia, nie korespondują z częstotliwością przełączania przetwornicy równej ok. 500 kHz. Dodatkowo na rysunku 6 widać, jak zniekształcenia harmoniczne i szum fazowy z przetwornicy DC-DC oddziałują z zniekształceniami w przetworniku ADC.
Nie widać w widmie żadnych zniekształceń w okolicy 500 kHz - częstotliwości przełączania kluczy w przetwornicy oraz 19,8 MHz - okolicy digitalizowanego na ADC sygnału. Oznacza to, że wykorzystana kombinacja filtrów typu π w zasilaniu i niższa amplituda wejściowa (-17 dBFS) jest wystarcza do realizacji filtracji.
Jako pokazano powyżej, wykorzystanie przetwornicy DC-DC do zasilania przetwornika ADC jest w stanie poważnie pogorszyć stosunek sygnału do szumu i wolny od zakłóceń zakres dynamiki przetwornika. W kolejnej części omówimy jakiego rodzaju filtrację linii zasilających można zastosować i w jakiej aplikacji użyć przetwornic, aby zminimalizować ten problem. Pozwoli to stworzyć idealny system zasilania przetworników ADC, minimalizujący negatywny wpływ zasilania na układ, a jednocześnie osiągający wysoką wydajność konwersji i zajmujący niewielką powierzchnię na PCB.
Źródło: Link
Fajne? Ranking DIY
. Można też zastosować 'słabszy' stabilizator impulsowy, tak aby pracowac przy optymalnym dla niego obciażeniu.
