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

Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF

ghost666 15 Lis 2016 23:18 1551 0
  • Jeśli chodzi o rozwój przetworników analogowo-cyfrowych (ADC), najciekawsze technologicznie obecnie układy to te, które pracują w zakresie gigapróbek na sekundę (GSPS) nazywane często RF-ADC. Przy tak ogromnej częstotliwości próbkowania strefa Nyquista jest dzisiaj dziesięć razy większa niż pięć lat temu. Dużo mówi się i publikuje na temat wykorzystywania układów RF-ADC, tego jak projektować systemy je wykorzystujące etc. Dzięki konsorcjum JESD204x wiele wiadomo jak realizować tego rodzaju systemy, ale konsorcjum to w swoich materiałach zapomina o jednej bardzo drobnej sprawie - niepozornym napięciu stałym, czyli sygnale DC.

    Sekcja układów przed wejściem do przetwornika ADC, tak zwany front-end, jest niezwykle kluczowa dla jego działania. Odpowiednio zaprojektowana sekcja wejściowa przed przetwornikiem ADC pozwala osiągnąć mu możliwie najlepsze parametry (tj. te z karty katalogowej - przyp. red.). Zazwyczaj, projektując front-end dla RF-ADC zwraca się uwagę na szerokie pasmo i optymalną pracę przy wysokich częstotliwościach, często powyżej 1 GHz. Jednakże w szeregu aplikacji sygnały stałe lub o niskiej częstotliwości bliskiej DC są także istotne, gdyż mogą nieść potrzebne informacje. Dlatego też, dopiero optymalizacja front-endu pod kątem poprawnej pracy tak przy sygnałach DC jak i RF daje pożądane rezultaty. W poniższym artykule przyjrzymy się jak podejść do projektowania tego rodzaju front-endu analogowego dla RF-ADC.

    Z uwagi na specyficzną naturę aplikacji, jeśli projektujemy aktywny front-end to i tak to co na prawdę musimy zrobić to opracować pasywny front-end (lub wykorzystać balun) by sprzęgnąć sygnały z przetwornikiem ADC. Sprawia to, że sygnał przechodzący przez część pasywną sprzęgany jest tylko w zakresie prądu zmiennego. Kluczową kwestią jest dodanie do układu optymalnego sprzęgu także dla sygnałów bliskich DC. Istotnymi aspektami takiego projektu jest, oprócz samego przenoszenia sygnału DC, odpowiednie przesuwanie poziomów wzmacniacza we front-endzie. W poniższym materiale przyjrzymy się jak to zrealizować, co zostanie dodatkowo zilustrowane przykładem z realnego systemu.

    Napięcie współbieżne: podstawy

    Wiele pytań, nadsyłanych do działów wsparcia technicznego producentów układów RF-ADC wynika z zasadniczego braku zrozumienia pewnych podstawowych kwestii. Przetwornik ADC do poprawnego działania musi być odpowiednio spolaryzowany napięciem współbieżnym. Wartość tego napięcia zapisana jest w karcie katalogowej układu, ale poza tym niewiele więcej informacji zawarte jest w dokumentacji, a szkoda, bo poprawna polaryzacja wejść ADC jest kluczowym kryterium do osiągnięcia przezeń maksymalnych parametrów, szczególnie przy pracy z napięciem wejściowym bliskim maksimum zakresu układu.

    Przetworniki ADC z wbudowanym buforem napięciowym na wejściu posiadają zazwyczaj wewnętrzny układ polaryzacji napięciem współbieżnym. Wartość tego napięcia równa jest zazwyczaj połowie napięcia zasilania plus napięcie spadku na jednej diodzie (tj. AVDD/2 + 0,7 V). W takim przypadku do poprawnego działania układu nie jest wymagany żaden dodatkowy układ polaryzacji wejścia, ale musi ono być cały czas zachowane w układzie. W układach niewyposażonych w tego rodzaju moduł (na przykład w ADC z przełączanym kondensatorem na wejściu) napięcie polaryzacji wynosi typowo połowę napięcia zasilania (AVDD/2). Napięcie to należy przyłożyć zewnętrznie w torze sygnałowym, ale niektóre układy mają dodatkowy, dedykowany pin do podłączania napięcia polaryzacji, więc wystarczy kilka zewnętrznych elementów, aby poprawnie spolaryzować taki ADC dowolnym napięciem, dobranym np. do zasilania w systemie.





    Alternatywą dla powyższego rozwiązania jest podłączenie napięcia polaryzacji wejścia do centralnego wyprowadzenia na transformatorze wyjściowym. Aby uzyskać napięcie polaryzacji należy wykorzystać np. dzielnik oporowy pomiędzy AVDD i masą, aby uzyskać połowę napięcia zasilającego.

    W wielu układach wyprowadzone jest także napięcie równe połowie napięcia zasilającego, ale nie należy z niego korzystać bez zastanowienia się - należy zawsze skonsultować się z kartą katalogową układu lub supportem producenta. To bardzo kuszący sposób, aby ułatwić sobie wiele w układzie, ale w dużej części układów napięcie to nie może zostać wykorzystane bez dodatkowego bufora prądowego na wyjściu.

    Jeżeli odpowiednia polaryzacja napięciem współbieżnym nie zostanie zachowana w układzie, to pojawią się istotne błędy wzmocnienia i offsetu w pomiarze realizowanym przez układ. Konwerter w takiej sytuacji może przesterować się przy nieodpowiednim napięciu, albo też odwrotnie - w ogóle nie dać się przesterować, ponieważ napięcie wejściowe nigdy nie dojdzie do maksymalnego jego poziomu. Polaryzacja napięciem współbieżnym jest szczególnie ważna, gdy przed wejściem przetwornika znajduje się wzmacniacz, który jest sprzężony stałoprądowo. Wzmacniacz taki musi oczywiście spełniać odpowiednie wymagania. W karcie katalogowej tego elementu należy sprawdzić, czy zakres napięć wyjściowych oraz zakres napięcia współbieżnego wzmacniacza dopasowany jest do wymagań wykorzystywanego układu ADC. Jest to szczególnie istotne przy niewielkich napięciach zasilania, a te zmniejszają się coraz bardziej, wraz z postępującą miniaturyzacją i trendem do zmniejszania poboru mocy.

    Przy wykorzystaniu układów zasilanych napięciem równym 1,8 V napięcie współbieżne, które polaryzuje wejście jakie jest wymagane wynosi 0,9 V - takie napięcie wymagane jest przez wzmacniacz wejściowy, jeśli osiągnięte ma być sprzężenie DC wejścia przetwornika. Układy pracujące nominalnie z napięciem od 3,3 V do 5 V mogą nie być w stanie pracować z tak niskimi napięciami współbieżnymi, ale nowsze układy nie powinny mieć z tym problemu. Alternatywnie, można dodać do układu ujemne zasilanie, co sprawi, że układ o wiele lepiej pracować będzie z niskimi napięciami. Szczegóły tego w jaki sposób osiągnąć zamierzone efekty ze wzmacniaczem w naszym front-endzie znajdziemy w karcie katalogowej tego układu.

    Napięcie współbieżne: definicja

    Zacznijmy od definicji napięcia współbieżnego (CM). Na rysunku 1 widzimy w jaki sposób przetwornik ADC "widzi" napięcie różnicowe, a w jaki sposób napięcie współbieżne. Napięcie CM to taki punkt środkowy, wokół którego porusza się mierzone napięcie. Można traktować ten poziom jak umowne zero lub kod na wyjściu równy zero. Wzmacniacz - CM mierzymy na jego wyjściu - ustala poziom napięcia współbieżnego poprzez dedykowany pin VOCM lub podobny. Pamiętajmy jednak, że wejście to ma pewne wymagania co do prądu wejściowego oraz pewien zakres dopuszczalnych napięć. Należy wartości te poznać, zanim zacznie się projektować układ. Niezależnie od analizy karty katalogowej wzmacniacza wejściowego, dobrze jest zapewnić odpowiedniej wydajności źródło napięcia, które stanowić będzie nasze CM - nie powinno ono być obciążone żadnymi dodatkowymi obwodami, ani też samo zbytnio obciążać krytycznych obwodów w systemie.

    Najprościej byłoby wykorzystać do polaryzacji napięcie odniesienia podawane na przetwornik ADC (VREF), które zazwyczaj równe jest połowie maksymalnego napięcia wejściowego ADC, ale niestety w typowym przypadku ma ono niewystarczającą wydajność prądową, aby pracować z odpowiednią precyzją (jaka dokładnie jest wydajność prądowego pinu VREF w naszym stabilizatorze lub układzie ADC odczytać możemy ze stosownej karty katalogowej).

    Do stabilizacji napięcia CM wystarczy jednakże prosty dzielnik oporowy z rezystorów 1% lub lepszych. Elementy te dostarczają dostatecznej precyzji na potrzeby napięcia współbieżnego. Aby uzyskać odpowiednią wydajność prądową konieczne może okazać się dodanie bufora prądowego do dzielnika oporowego. Nic więcej nie jest potrzebne do poprawnej polaryzacji napięciem CM.

    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 1. Przykłady sygnałów różnicowych i współbieżnych.


    W poniższej tabelce podsumowano, jako podłączać wzmacniacz do przetwornika ADC w rozmaitych aplikacjach. Dalej, na rysunku 2 zaprezentowano przykładowe rozwiązania układowe omawianych kwestii.

    AplikacjaWzmacniaczPrzetwornik analogowo-cyfrowyUwagi
    Sprzężenie DCUstaw VOCM w zakresie napięcia dopuszczalnego w karcie katalogowej. Do uzyskania napięcia wystarczy dzielnik oporowy lub wzmacniacz buforujący pin VREF/CML z ADC.Polaryzacja napięciem współbieżnym nie jest wymagana. Upewnij się, że napięcia CM wzmacniacza i ADC znajdują się nawzajem w swoich granicach, inaczej wystąpić może błąd niedopasowania pomiędzy układami.
    Sprzężenie AC z niebuforowanym ADCUstaw VOCM w zakresie napięcia dopuszczalnego w karcie katalogowej. Wykorzystaj dzielnik oporowy lub inne stabilne źródło napięcia współbieżnego.Skonfiguruj CM jako AVDD/2. Jako źródła napięcia współbieżnego użyć można dzielnika oporowego lub wyprowadzenia CML przetwornika.Umieść kondensatory filtrujące na wyjściu wzmacniacza we front-endzie.
    Sprzężenie AC z buforowanym ADCUstaw VOCM w zakresie napięcia dopuszczalnego w karcie katalogowej. Wykorzystaj dzielnik oporowy lub inne stabilne źródło napięcia współbieżnego.Polaryzacja napięciem współbieżnym nie jest wymagana. Wszystkie piny są już spolaryzowane napięciem AVDD/2+0,7VUmieść kondensatory filtrujące na wyjściu wzmacniacza we front-endzie.


    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 2. Przykłady aplikacji ze sprzężeniem DC i AC we front-endach dla przetworników ADC.


    Napięcie współbieżne: awaria

    Jeśli nie doprowadzi się polaryzacji CM do układu, to wyniki pracy ADC będą pogorszone z uwagi na zwiększenie się błędów offsetu i wzmocnienia. Mówiąc w skrócie - układ będzie wyglądał jak na rysunku 3 lub podobnie. Widmo wyjściowe ADC prezentować się będzie jak przeciążone wejście, na które podano maksymalne dopuszczalne napięcie. Oznaczać to będzie, że punkt jaki konwerter uznaje za zero będzie poza środkiem i poza optymalną pozycją. Projektanci, testując układ, będą mogli zauważyć, że przetwornik przycina sygnał przy niższym jego poziomie niż maksymalne napięcie wejściowe, jakie zapisane jest w karcie katalogowej układu. Ten problem pogłębia się wraz ze spadkiem napięcia zasilającego ADC i w konsekwencji napięcia CM. Dla nowoczesnych ADC napięcie zasilania AVDD wynosi 1,8 V co oznacza, że CM = AVDD/2 = 0,9 V.

    Nie wszystkie wzmacniacze z jedną linią zasilającą dobrze radzą sobie z tak niskim napięciem współbieżnym. Jednakże na rynku dostępnych jest sporo układów, które spełniają te wymagania, więc nie stanowi to problemu. Koniecznie trzeba jednakże dobrać odpowiedni układ do tego zastosowania i zapoznać się z kartami katalogowymi wzmacniaczy dostępnych na rynku. Nie każdy wzmacniacz operacyjny się tutaj sprawdzi, niektóre mogą mieć za mały zapas dynamiki, w innych nasycać mogą się tranzystory wyjściowe. Rozwiązaniem tego problemu jest wykorzystanie dwóch linii zasilania. Nawet niewielkie ujemne napięcie zasilania pozwoli na osiągnięcie o wiele lepszych parametrów podczas pracy z bardzo małymi napięciami. Niestety, dodanie drugiej linii zasilania powoduje istotne zwiększenie poziomu skomplikowania całego układu; rośnie też cena wykonania urządzenia.

    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 3. Niedopasowanie napięcia współbieżnego pomiędzy wzmacniaczem wejściowym i przetwornikiem analogowo-cyfrowym.


    Składanie wszystkiego w całość

    Teraz rozumiemy już dwa podstawowe zagadnienia - konieczność polaryzacji napięciem współbieżnym oraz sprzężenia DC. Możemy zacząć składać nasz system w całość, aby zaprojektować kompletny układ. Za przykład weźmy przetwornik wzmacniacz ADL5567. To podwójny, różnicowy wzmacniacz o stałym wzmocnieniu 20 dB. Pasmo tego układu wynosi aż 4,8 GHz i idealnie nadaje się do buforowania wejścia dla przetworników RF-ADC, takich jak przetwornik AD9625 o rozdzielczości 12 bit i częstotliwości próbkowania wynoszącej 2,5 GSPS. Układ ten wyposażony jest w interfejs wyjściowy w standardzie JESD204B. Układ z tym przetwornikiem zaprezentowano na schemacie blokowym na rysunku 4.

    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 4. Przykład szerokopasmowego toru sygnałowego front-end + ADC: od DC do RF.


    W zaprezentowanej konfiguracji front-end zoptymalizowany jest pod kątem szerokopasmowego próbkowania przy jednoczesnym zachowaniu informacji o sygnale DC. Jako, że element ten działa z maksymalnym napięciem 5,5 V to do zasilania wykorzystano dwie linie: 3,3 V oraz -2 V. Ułatwiło to ustalenie odpowiedniego napięcia CM na wejściu do ADC. Oba układy pracują z napięciem współbieżnym równym +0,525 V, które obecne jest na obu liniach wejściowych - AIN+ oraz AIN-. W takim układzie piny konfiguracyjne wzmacniacza, które normalnie aktywowane są poziomem masy, są teraz podłączone do ujemnego zasilania -2 V.

    Samo podłączenie napięcia współbieżnego do układu jest całkiem proste, ale zrozumienie działania całego układu nie jest takie trywialne. W układzie koniecznie zrobić trzeba dwie rzeczy. Po pierwsze napięcie współbieżne wejścia ustawione musi być na 0 V. W innym wypadku sterowanie wzmacniaczem z offsetem spowoduje przesunięcie napięć na wyjściu. Sprawi to, że pojawią się w układzie problemy, jakie obrazuje rysunek 3. Słabe parametry AC układu propagować się będą przez cały system. Aby problem ten nie występował, należy umożliwić, aby cały prąd wejściowy mógł spływać do masy, czy do linii -2 V w tym przypadku. W tym celu dodano opornik 2,2 k? do każdego z wejść układu, co powoduje że prąd offsetu spływa do linii zasilających.

    Sposób w jaki zrealizowano układ, w którym na wyjściu wzmacniacza napięcie współbieżne wynosi 525 mV, a na wejściu 0 V jest bardzo sprytny. Z wewnętrznym opornikiem sprzężenia zwrotnego 550 ? i wejściowym opornikiem ? 50 ? rezystancja wynosi około 550 ?. W naszym systemie rezystancja źródła napięcia wynosi 50 ? równolegle z opornikiem 100 ?, co daje wypadkowe 33 ?. Dodatkowe 50 ? w torze sygnałowym zwiększa tą wartość do 53 ?. Rezystancja ta znajduje się szeregowo z rezystancją 500 ?, co daje dzielnik oporowy z rezystancjami 500 ? i 53 ?, który daje na wyjściu 525 mV. Taki dzielnik pobiera z zasilania prąd na poziomie 900 ?A (0,525 V / 553 ?). Aby sprowadzić ten prąd do "masy" czyli napięcia -2 V dodany został rezystor o wartości 2,2 k? (ponieważ -2 V / 2,2 k? = 900 ?A).

    Po drugie wejście jest asymetryczne, więc musi zostać odpowiednio skonfigurowane, aby osiągnąć najlepsze parametry układu i niskie zniekształcenia. Ponownie, rezystancja 100 ?, równolegle z rezystancją źródła równą 50 ? daje nam ? 33 ? wypadkowego oporu. Jako że wartość ta widziana jest przez oba wejścia VIN, aby zbalansować je sterując wejściem asymetrycznym w linii wejściowej VIN+ dodany jest opornik 20 ? - minimalizuje on szerokopasmowe zniekształcenia, jakie występować będą w układzie (do obliczeń przyjęto częstotliwość 500 MHz, patrz rysunek 5 z wynikami testów). Wyznaczenie optymalnej wartości tej rezystancji jest żmudnym procesem, wymagającym testowania wielu wartości rezystancji. Dokładna metodyka wyznaczania wartości rezystancji tego elementu zawarta jest na przykład w karcie katalogowej układu AD4932. Na rysunku 6 zaprezentowano typowe widma w zakresie DC - 2 GHz układu.

    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 5. Typowe widmo FFT sygnału 507 MHz przy próbkowaniu 2500 MSPS.
    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 6. Typowe widma AC układu przy próbkowaniu 2500 MSPS.


    Warto zauważyć jeszcze indukcyjność 5,1 nH, włączoną szeregowo z liniami zasilania dodatniego. Element ten poprawia liniowość w funkcji częstotliwości "wyłapując" prądy, które psują zrównoważenie układu.

    Ostatnim krokiem optymalizacji układu jest dopasowanie front-end pod kątem dopasowania pasma pomiędzy wzmacniaczem a konwerterem ADC. Ten krok także realizuje się iteracyjnie, jednakże istnieje kilka istotnych kwestii o których trzeba pamiętać, ponieważ rządzą one wartościami elementów pomiędzy tymi dwoma układami scalonymi. Istnieje kilka podstawowych zasad, które warto stosować, aby zmaksymalizować pasmo interfejsu.

    1. Dobierz odpowiedni rezystor RKB, w tym przypadku 20 ?. Wartość ta jest generalnie oparta o doświadczenie konstruktora i rekomendacje zawarte w karcie katalogowej. Typowe wartości tego elementu to pomiędzy 5 ? a 36 ?.
    2. Dobierz zewnętrzny opornik szeregowy dla wzmacniacza (RA), pamiętając aby RA < 10 ?, jeśli różnicowa impedancja wyjściowa wzmacniacza wynosi pomiędzy 100 ? a 200 ?. Dla impedancji 12 ? lub mniej opornik ten powinien mieć wartość pomiędzy 5 ? a 36 ?. W opisywanym przypadku szeregowo włączono opornik 10 ?, ponieważ rezystancja wyjściowa ADL5567 wynosi 10 ?.
    3. Całkowita rezystancja wpięta szeregowo i równolegle do wyjścia wzmacniacza powinna być możliwie zbliżona do tzw. oporu charakterystycznego (RL) zawartego w karcie katalogowej układu. W tym przypadku jest to 200 ?. W układzie na rysunku 4 2RA + 2RKB + RADC = 20 ? + 40 ? + 100 ? = 160 ?. W związku z różnicą tych rezystancji spodziewać można się pewnych problemów z liniowym zachowaniem układu.
    4. Wewnętrzna pojemność przetwornika analogowo-cyfrowego - CADC - dodaje równoległą rezystancję C za opornikiem 10 ?, co pomaga układowi radzić sobie z impulsami spowodowanymi pracą układu próbkującego ADC. Dodatkowo element ten pełni rolę miękkiego filtra dolnoprzepustowego, który pozwala odfiltrować szerokopasmowe harmoniczne, które nakładają się na pasmo działania systemu.

    Korzystając z powyższych zasad udało się osiągnąć płaskie pasmo 2 GHz w opracowywanym układzie. Umożliwia to zbieranie sygnałów w pierwszej i drugiej strefie Nyquista przy założeniu częstotliwości próbkowania na poziomie 2,5 GSPS. Układ wysterowany musi być sygnałem -8 dBm (252 mVpp) przy impedancji źródła 50 ? i sygnale 100 MHz. Wartość ta to pełen zakres pomiarowy systemu.

    Projektowanie szerokopasmowych, szybkich torów analogowych - od DC do RF
    Rysunek 7. Typowe widmo i poziom wejścia sterującego ADC.


    Podsumowanie

    Przeoczenie optymalizacji polaryzacji wejścia ADC napięciem współbieżnym może spowodować ogromne problemy w układach ze sprzężeniem DC. Jeśli wykorzystuje się wiele stopni w układzie, koniecznie pamiętać trzeba o dopasowaniu poziomów napięcia współbieżnego, aby uniknąć sytuacji w której poszczególne stopnie układu "walczą" ze sobą z powodu różnego napięcia CM.

    W aplikacjach ze sprzężeniem AC dodanie kondensatora pomiędzy poszczególnymi sekcjami niweluje problem z dopasowaniem napięcia CM, co sprawia, że możliwe jest optymalizowanie wartości napięcia współbieżnego dla każdej sekcji toru analogowego i przetwornika ADC niezależnie.

    Innym rozwiązaniem wartym rozważenia, jest dodanie ujemnej linii zasilania do układu, co rozwiązuje problemy z napięciem współbieżnym, szczególnie jeśli jego wartość jest bardzo mała.

    Źródło: http://www.edn.com/design/analog/4442529/Designing-high-speed-analog-signal-chains-from-DC-to-wideband


    Fajne!
  • SterControl