Rosnąca ilość danych gromadzonych, przesyłanych i przechowywanych we wszystkich systemach elektronicznych — od 5G po aplikacje przemysłowe — rozszerzyła granice wymaganej wydajności urządzeń do przetwarzania sygnałów analogowych, niektóre do poziomu gigasampli na sekundę (miliardów próbek na sekundę). Ponieważ tempo innowacji nigdy nie zwalnia następna generacja rozwiązań elektronicznych doprowadzi do dalszego zmniejszenia ich ilości, zwiększenia sprawności energetycznej systemów i wzmożonego zapotrzebowania na lepszą wydajność w zakresie poziomu szumu obserwowanego w urządzeniach.
Można założyć, że szum wytwarzany w różnych domenach zasilania — analogowych, cyfrowych, interfejsów szeregowych i cyfrowych układów wejścia-wyjścia (I/O) — powinien zostać po prostu zredukowany lub odizolowany od systemu, aby osiągnąć optymalną wydajność dynamiczną, ale pogoń za absolutną minimalizacją poziomu szumu może wiązać się z coraz mniejszymi zyskami. Skąd projektant ma wiedzieć, kiedy poziom szumu lub zakłóceń jest wystarczająco niski? Dobrym początkiem jest ilościowe określenie czułości poszczególnych urządzeń, aby można było dopasować widmo zasilania do wymagań systemu. Wiedza to potęga: może bardzo pomóc w projektowaniu i w unikaniu nadmiernego poziomu skomplikowania, a tym samym w oszczędzaniu czasu przy tworzeniu rozwiązań.
W poniższym artykule przedstawiono sposób obliczania wrażliwości zasilacza na szum różnych obciążeń w łańcuchu przetwarzania sygnału oraz metodę obliczania maksymalnego dopuszczalnego poziomu szumu zasilacza dla danego systemu. Omówiono również konfiguracje pomiarowe dla danych parametrów. Finalnie część pierwsza tego cyklu zakończona zostanie przeanalizowaniem niektórych strategii wykorzystywanych do spełnienia wytycznych względem zakłóceń zasilania z realistycznymi wymaganiami dotyczącymi poziomu szumów. Kolejne artykuły z tej serii skupią się na szczegółach optymalizacji sieci dystrybucji zasilania (PDN) dla przetworników ADC, DAC i transceiverów RF.
Zrozumienie i określenie ilościowe wrażliwości toru sygnałowego na szum zasilania
Pierwszym krokiem w procesie optymalizacji systemu zasilania jest zbadanie prawdziwej wrażliwości urządzeń przetwarzających sygnał analogowy na zakłócenia zasilania. Obejmuje to zrozumienie wpływu szumu zasilacza na kluczowe parametry toru sygnałowego oraz scharakteryzowanie wrażliwości zasilacza na zakłócenia poprzez parametry, takie jak współczynnik modulacji sygnałem zasilania (PSMR) i współczynnik odrzucenia wpływu zasilania (PSRR).
PSMR i PSRR są dobrymi estymatorami odrzucania wpływu zasilacza, ale same w sobie nie wystarczają do określenia, jak niskie powinno być tętnienie zasilacza. W poniższym artykule pokazano, jak ustalić próg tolerancji tętnienia lub maksymalny dopuszczalny poziom szumu zasilania za pomocą PSMR i PSRR. Dopasowanie tego progu do widma sygnału z zasilacza jest podstawą do przygotowania zoptymalizowanego projektu systemu zasilania. Zoptymalizowany zasilacz nie pogorszy właściwości dynamicznych układów do przetwarzania sygnału analogowego, jeśli szum napięcia zasilającego pozostanie poniżej tej specyfikacji.
Wpływ szumu zasilania na urządzenia półprzewodnikowe do przetwarzania sygnałów analogowych
Należy zrozumieć wpływ zakłóceń zasilania na urządzenia przetwarzające sygnał. Efekty te można określić ilościowo za pomocą trzech mierzonych parametrów:
* Zakres dynamiczny wolny od zakłóceń (SFDR);
* Stosunek sygnału do szumu (SNR);
* Poziom szumu fazowego (PN).
Zrozumienie wpływu szumu zasilacza na te parametry jest pierwszym krokiem do optymalizacji specyfikacji szumu zasilacza.
Zakres dynamiczny wolny od zakłóceń (SFDR)
Szum zasilania może sprzęgać się z sygnałem nośnym dowolnego systemu przetwarzania sygnału analogowego. Wpływ szumu zasilacza zależy od jego siły w stosunku do sygnału nośnego w odniesieniu do częstotliwości. Jedną z miar jest SFDR, który reprezentuje najmniejszy sygnał, który można odróżnić od dużego sygnału zakłócającego — w szczególności stosunek amplitudy sygnału nośnego do amplitudy najwyższego sygnału fałszywego, niezależnie od tego, gdzie znajduje się on w widmie częstotliwości, tak że:
$$SFDR = 20 \times log \frac {Nośna} {emisje niepożądane} \qquad (1)$$
SFDR = zakresy dynamiki wolne od zakłóceń (dB), Nośna = wartość RMS sygnału nośnej (szczytowa lub pełnej skali), emisje niepożądane = wartość RMS najwyższej amplitudy prążka zakłóceń w widmie częstotliwości.
SFDR można określać w odniesieniu do pełnej skali (dBFS) lub względem sygnału nośnego (dBc). Tętnienia zasilania mogą wytwarzać niepożądane prążki poprzez sprzężenie z sygnałem nośnym, co degraduje SFDR. Rysunek 1 porównuje SFDR dla szybkiego ADC AD9208, gdy jest zasilany przez czysty i zaszumiony zasilacz. W tym przypadku szum zasilania degraduje SFDR o około 10 dB, gdy tętnienie zasilania przy 1 MHz pojawia się jako modulowane impulsy obok częstotliwości nośnej w widmie wyjściowym szybkiej transformacji Fouriera (FFT) przetwornika ADC.
Stosunek sygnału do szumu (SNR)
Podczas gdy SFDR jest warunkowane przez najwyższy impuls w widmie częstotliwości, SNR zależy od całkowitego szumu w widmie oraz ogranicza zdolność systemu do przetwarzania sygnałów analogowych i do przetwarzania sygnałów o niskiej amplitudzie. SNR jest teoretycznie ograniczone przez rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego w systemie. A także matematycznie zdefiniowany jako stosunek poziomu sygnału nośnego do sumy wszystkich składowych widmowych szumu, z wyjątkiem pierwszych pięciu harmonicznych i prądu stałego, jak pokazuje równanie 2:
$$SNR = 20 \times log \frac {Nośna} {Szum} \qquad (2)$$
SNR = stosunek sygnału do szumu (dB), Nośna = wartość skuteczna sygnału nośnego (w szczycie lub w pełnej skali), Szum = suma rms wszystkich składowych widmowych szumu z wyłączeniem pierwszych pięciu harmonicznych sygnału.
Zakłócenia wprowadzane przez zasilacz mogą przyczyniać się do zmniejszenia SNR poprzez sprzężenie w sygnale nośnym i dodanie składowych widmowych szumu w sygnale wyjściowym. Jak pokazano na rysunku 2, SNR szybkiego przetwornika ADC AD9208 spada z 56,8 dBFS do 51,7 dBFS, gdy tętnienie zasilania o częstotliwości 1 MHz wytwarza składowe szumu widmowego w widmie wyjściowym widoczne na FFT.
Szum fazowy (PN)
Szum fazowy jest miarą stabilności częstotliwości sygnału. W idealnym przypadku oscylator powinien być w stanie wytworzyć dany zestaw stabilnych częstotliwości w określonym czasie. Jednak w rzeczywistości w sygnale zawsze występują niewielkie, niepożądane wahania amplitudy i fazy. Te fluktuacje można zaobserwować na widmie sygnału w postaci prążków po obu bokach sygnału w widmie FFT.
Szum fazowy można zdefiniować na kilka sposobów. Na potrzeby tego artykułu szum fazowy określa się jako szum fazowy pojedynczej wstęgi bocznej (SSB), co jest powszechnie używaną definicją, która wykorzystuje stosunek gęstości mocy częstotliwości sygnału nośnego do całkowitej mocy sygnału nośnego, jak na równaniu 3:
$$SSB PN = 10 \times \frac {Energia w pasmach bocznych} {Moc nośnej} \qquad (3)$$
SSB PN = szum fazowy pojedynczej wstęgi bocznej (dBc/Hz), Energia w pasmach bocznych = moc szumu na 1 Hz pasma przy częstotliwości przesuniętej względem częstotliwości nośnej (W/Hz), Moc nośnej = całkowita moc sygnału nośnego.
Rys.3. (a) Dwa różne zasilacze ze znacznymi różnicami w zakresie zawartości szumów wyjściowych. (b) Wynikowa charakterystyka szumów fazowych urządzenia ADRV9009, gdy jest zasilane odpowiednio przez te dwa źródła.
W przypadku urządzeń przetwarzających sygnały analogowe szum napięcia sprzężony z zegarem urządzenia poprzez napięcie zasilania zegara wytwarza szum fazowy, który z kolei wpływa na stabilność częstotliwości wewnętrznego oscylatora lokalnego (LO). Poszerza to zakres częstotliwości LO w widmie częstotliwości, zwielokrotniając gęstość mocy przy danej częstotliwości przesunięcia od nośnej, co z kolei zwiększa szum fazowy sygnału.
Rysunek 3 pokazuje porównawczą miarę szumu fazowego transceivera ADRV9009, gdy jest zasilany przez dwa różne zasilacze. Rysunek 3a wskazuje widma szumów dla dwóch źródeł, a rysunek 3b obrazuje wynikowy szum fazowy tych źródeł. Oba zasilacze oparte są na regulatorze LTM8063 µModule® z włączoną modulacją częstotliwości z widmem rozproszonym (SSFM). Zaletą SSFM jest to, że poprawia parametry szumowe przy podstawowej częstotliwości przełączania przetwornicy i jej harmonicznych poprzez rozłożenie bazowej frekwencji na pewien zakres. Widać to na rysunku 3a — trzeba zwrócić uwagę na stosunkowo szerokie piki szumów przy 1 MHz i ich harmoniczne. Kompromis polega na tym, że częstotliwość modulacji fali trójkątnej SSFM wytwarza szum poniżej 100 kHz — szczyty zaczynają się około 2 kHz.
Alternatywny zasilacz dodaje filtr dolnoprzepustowy w celu tłumienia szumów powyżej 1 MHz oraz dodatkowy liniowy stabilizator napięcia LDO ADP1764 w celu redukcji ogólnego poziomu szumów, szczególnie poniżej 10 kHz (głównie szum wywołany przez SSFM). Generalna poprawa poziomu szumu zasilacza dzięki dodatkowemu filtrowaniu skutkuje zwiększoną wydajnością szumu fazowego poniżej częstotliwości przesunięcia 10 kHz, jak pokazano na rysunku 3b.
Czułość na zakłócenia zasilania urządzeń do przetwarzania sygnałów analogowych
Wrażliwość obciążenia na tętnienia zasilania można określić ilościowo za pomocą dwóch parametrów:
* Współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR);
* Współczynnik modulacji zasilania (PSMR).
Przyjrzyjmy się bliżej obu parametrom — ich definicji i wpływowi na sygnał.
Współczynnik odrzucenia wpływu zasilania (PSRR)
PSRR reprezentuje zdolność urządzenia do tłumienia szumów obecnych na pinie zasilania w szerokim zakresie częstotliwości. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje PSRR: statyczny (dc) PSRR i dynamiczny (ac) PSRR. DC PSRR jest używany jako miara zmiany offsetu wyjściowego, co jest dyktowane zmianami napięcia zasilania DC. Jest to minimalny problem, ponieważ systemy zasilania powinny dostarczać do obciążenia dobrze regulowane, stabilne napięcie stałe. Z drugiej strony AC PSRR reprezentuje zdolność urządzenia do odrzucania sygnałów prądu przemiennego w zasilaczu prądu stałego w określonym zakresie częstotliwości.
AC PSRR jest mierzone poprzez wprowadzenie sygnału sinusoidalnego na pin zasilania urządzenia i obserwację błędu na jego wyjściu, który pojawia się w postaci zmiany poziomu szumów w widmie wyjściowym przetwornika danych/transceivera przy częstotliwości zakłócenia w zasilaniu (rysunek 4). AC PSRR definiuje się jako stosunek zmierzonej amplitudy wstrzykiwanego sygnału do odpowiedniej amplitudy impulsu błędu w widmie wyjściowym, gdzie:
$$AC_{PSRR} (dB) = 20 \times log \frac {dodane zakłócenia} {zmierzony efekt} \qquad (4)$$
Zmierzone zakłócenia = amplituda zakłóceń widziana w widmie wyjściowym, dodane zakłócenia = amplituda fali sinusoidalnej wstrzykiwanej do linii zasilania urządzenia.
Rys. 4. Błędy w widmie wyjściowym urządzeń przetwarzających sygnał analogowy spowodowany tętnieniem zasilania.
Rysunek 5 przedstawia schemat blokowy typowej konfiguracji PSRR. Na przykładzie szybkiego przetwornika ADC AD9213 10 GSPS — fala sinusoidalna 1 MHz i 13,3 mV p-p jest aktywnie sprzężona na analogowej szynie zasilającej 1,0 V. Odpowiednia cyfrowa wypustka 1 MHz pojawia się powyżej poziomu szumów widma FFT –108 dBFS przetwornika ADC. Cyfrowa wypustka 1 MHz wynosi –81 dBFS, co odpowiada napięciu międzyszczytowemu 124,8 μV w odniesieniu do pełnego zakresu wejścia analogowego 1,4 V p-p. Obliczenie AC PSRR przy 1 MHz, stosując równanie 4, daje AC PSRR 40,5 dB przy 1 MHz. Rysunek 6 pokazuje AC PSRR AD9213 dla szyny AVDD 1.0 V.
Współczynnik modulacji zasilania (PSMR)
PSMR wpływa na urządzenia przetwarzające sygnał analogowy inaczej niż PSRR. PSMR pokazuje czułość urządzenia na zakłócenia zasilania, gdy moduluje ono sygnałem RF wyjście. Efekt może być postrzegany jako modulowany impuls wokół częstotliwości nośnej urządzenia i pojawia się, także jako wstęga boczna nośnej w sygnale.
Modulację zasilania uzyskuje się przez podłączenie wejściowego sygnału tętnienia do modulatora sterującego czystym napięciem stałym za pomocą dedykowanego obwodu sprzęgającego. Tętnienie zasilania jest wprowadzane z generatora sygnału do pinu zasilacza jako sygnał sinusoidalny. Fala sinusoidalna modulowana do nośnej RF tworzy prążki pasma bocznego o częstotliwości przesunięcia równej częstotliwości fali sinusoidalnej. Na amplitudę prążków bocznych ma wpływ zarówno amplituda fali sinusoidalnej, jak i czułość samego urządzenia. Uproszczona konfiguracja pomiaru PSMR jest taka sama, jak dla PSRR, co obrazuje rysunek 5. Jednak analizator wyjściowy koncentruje się na częstotliwości nośnej i jej wstęgach bocznych, jak pokazano na rysunku 7. PSMR jest zdefiniowany jako stosunek amplitudy tętnienia zasilania do modulowanej amplitudy wstęgi bocznej wokół nośnika, jak wynika z równania 5:
$$PSMR(dB) = 20 \times log \frac {dodane zakłócenia} {wypadkowa modulacja} \qquad (5)$$
gdzie wypadkowa modulacja = amplituda zakłóceń przy prążkach bocznych częstotliwości nośnej powstająca na skutek wstrzykiwania zakłóceń; dodane zakłócenia = amplituda przebiegu sinusoidalnego dodanego w modulatorze do zasilania systemu.
Rozważmy szybki przetwornik cyfrowo-analogowy AD9175 o prędkości 12,6 GSPS działający z nośną 100 MHz i tętnieniem zasilania 10 MHz o wartości około 3,05 mVp-p, aktywnie sprzężonym na szynie AVDD 1,0 V. Odpowie temu modulacja o amplitudzie 24,6 μV p-p, która pojawia się w bocznym paśmie sygnału nośnego z przesunięciem równym częstotliwości tętnienia zasilania — około 10 MHz. Obliczenie PSMR przy 10 MHz, stosując równanie 5 daje 41,9 dB. Rysunek 8 przedstawia PSMR 1.0V AVDD układu AD9175 dla kanału DAC0 przy różnych częstotliwościach nośnych.
Określanie maksymalnego dopuszczalnego tętnienia zasilania
PSMR można połączyć z progiem odniesienia zasilanego urządzenia, aby określić maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia w każdej z domen zasilania urządzenia przetwarzającego sygnał analogowy. Sam próg odniesienia może być jedną z kilku wartości reprezentujących dopuszczalny poziom impulsów (spowodowanych tętnieniem zasilania), które urządzenie może tolerować bez znaczącego wpływu na jego wydajność dynamiczną. Ten poziom impulsu może być zakresem dynamiki bez zakłóceń (SFDR), procentem najmniej znaczącego bitu (LSB) lub poziomem szumów widma wyjściowego. Równanie 6 pokazuje maksymalne dopuszczalne tętnienie wejściowe (VR_MAX) jako funkcję PSMR i zmierzonego poziomu szumów każdego urządzenia, gdzie:
$$V_{R max} = [10^{\frac{PSMR}{20}}] \times próg \qquad (6)$$
VR_MAX = maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia na każdej z szyn zasilających przed wytworzeniem impulsu w poziomie szumów widma wyjściowego; PSMR = czułość na szum badanej szyny zasilającej (w dB); próg = z góry określony próg odniesienia (do celów niniejszego artykułu poziom szumów widma wyjściowego).
Na przykład poziom szumów widma wyjściowego AD9175 wynosi około 1 μV p-p. PSMR przy tętnieniu 10 MHz dla nośnej 1800 MHz stanowi około 20,9 dB. W odniesieniu do równania 6 — maksymalne dopuszczalne tętnienie na wejściu zasilania urządzenia, które może to tolerować bez pogorszenia własnej wydajności dynamicznej wynosi 11,1 μV p-p.
Rysunek 9 pokazuje łączne wyniki dla widma wyjściowego stabilizatora obniżającego napięcie LT8650S Silent Switcher® (z filtrem wyjściowym LC i bez niego) oraz maksymalne dopuszczalne tętnienie AD9175 dla szyny AVDD 1.0 V. Wyjście widmowe ze stabilizatora regulatora zawiera w sobie impulsy przy podstawowej częstotliwości przełączania i jej harmonicznych. LT8650S bezpośrednio zasilający AD9175 generuje fundamentalne przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego progu, co skutkuje modulowanymi prążkami wstęgi bocznej w widmie wyjściowym, jak pokazano na rysunku 10. Proste dodanie filtra LC zmniejsza prążki pochodzące z przełączania sekcji zasilania poniżej maksymalnego dopuszczalnego napięcia tętnienia, jak wskazano na rysunku 11.
Rys.9. Widmo mocy wyjściowej zasilacza opartego na LT8650S a maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia na szynie AVDD 1.0 V.
Rys.10. Widmo wyjściowe AD9175 DAC0 przy częstotliwości nośnej 1800 MHz przy użyciu przetwornicy DC/DC Silent Switcher LT8650S podłączonej bezpośrednio do szyny AVDD.
Rysunek 11. Widmo wyjściowe AD9175 DAC0 przy częstotliwości nośnej 1800 MHz przy użyciu LT8650S z zasilaniem z filtra LC.
Podsumowanie
Doskonała dynamika szybkich urządzeń do przetwarzania sygnałów analogowych może być łatwo zniweczona przez szum pochodzący z linii zasilania. Dokładne zrozumienie wrażliwości łańcucha sygnałowego na zakłócenia z zasilania jest konieczne, aby uniknąć pogorszenia wydajności systemu. Można to określić, ustalając maksymalne dopuszczalne tętnienie niezbędne do zaprojektowania sieci dystrybucji energii (PDN) w urządzeniu elektronicznym. Gdy znany jest maksymalny dopuszczalny próg tętnień można zastosować różne podejścia do projektowania zoptymalizowanego zasilacza. Dobry margines w stosunku do maksymalnego dopuszczalnego tętnienia zagwarantuje, że PDN nie obniży wydajności dynamicznej urządzeń do szybkiego przetwarzania sygnałów analogowych.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimizing-power-systems-for-the-signal-chain-part-1.html
Można założyć, że szum wytwarzany w różnych domenach zasilania — analogowych, cyfrowych, interfejsów szeregowych i cyfrowych układów wejścia-wyjścia (I/O) — powinien zostać po prostu zredukowany lub odizolowany od systemu, aby osiągnąć optymalną wydajność dynamiczną, ale pogoń za absolutną minimalizacją poziomu szumu może wiązać się z coraz mniejszymi zyskami. Skąd projektant ma wiedzieć, kiedy poziom szumu lub zakłóceń jest wystarczająco niski? Dobrym początkiem jest ilościowe określenie czułości poszczególnych urządzeń, aby można było dopasować widmo zasilania do wymagań systemu. Wiedza to potęga: może bardzo pomóc w projektowaniu i w unikaniu nadmiernego poziomu skomplikowania, a tym samym w oszczędzaniu czasu przy tworzeniu rozwiązań.
W poniższym artykule przedstawiono sposób obliczania wrażliwości zasilacza na szum różnych obciążeń w łańcuchu przetwarzania sygnału oraz metodę obliczania maksymalnego dopuszczalnego poziomu szumu zasilacza dla danego systemu. Omówiono również konfiguracje pomiarowe dla danych parametrów. Finalnie część pierwsza tego cyklu zakończona zostanie przeanalizowaniem niektórych strategii wykorzystywanych do spełnienia wytycznych względem zakłóceń zasilania z realistycznymi wymaganiami dotyczącymi poziomu szumów. Kolejne artykuły z tej serii skupią się na szczegółach optymalizacji sieci dystrybucji zasilania (PDN) dla przetworników ADC, DAC i transceiverów RF.
Zrozumienie i określenie ilościowe wrażliwości toru sygnałowego na szum zasilania
Pierwszym krokiem w procesie optymalizacji systemu zasilania jest zbadanie prawdziwej wrażliwości urządzeń przetwarzających sygnał analogowy na zakłócenia zasilania. Obejmuje to zrozumienie wpływu szumu zasilacza na kluczowe parametry toru sygnałowego oraz scharakteryzowanie wrażliwości zasilacza na zakłócenia poprzez parametry, takie jak współczynnik modulacji sygnałem zasilania (PSMR) i współczynnik odrzucenia wpływu zasilania (PSRR).
PSMR i PSRR są dobrymi estymatorami odrzucania wpływu zasilacza, ale same w sobie nie wystarczają do określenia, jak niskie powinno być tętnienie zasilacza. W poniższym artykule pokazano, jak ustalić próg tolerancji tętnienia lub maksymalny dopuszczalny poziom szumu zasilania za pomocą PSMR i PSRR. Dopasowanie tego progu do widma sygnału z zasilacza jest podstawą do przygotowania zoptymalizowanego projektu systemu zasilania. Zoptymalizowany zasilacz nie pogorszy właściwości dynamicznych układów do przetwarzania sygnału analogowego, jeśli szum napięcia zasilającego pozostanie poniżej tej specyfikacji.
Wpływ szumu zasilania na urządzenia półprzewodnikowe do przetwarzania sygnałów analogowych
Należy zrozumieć wpływ zakłóceń zasilania na urządzenia przetwarzające sygnał. Efekty te można określić ilościowo za pomocą trzech mierzonych parametrów:
* Zakres dynamiczny wolny od zakłóceń (SFDR);
* Stosunek sygnału do szumu (SNR);
* Poziom szumu fazowego (PN).
Zrozumienie wpływu szumu zasilacza na te parametry jest pierwszym krokiem do optymalizacji specyfikacji szumu zasilacza.
Zakres dynamiczny wolny od zakłóceń (SFDR)
Szum zasilania może sprzęgać się z sygnałem nośnym dowolnego systemu przetwarzania sygnału analogowego. Wpływ szumu zasilacza zależy od jego siły w stosunku do sygnału nośnego w odniesieniu do częstotliwości. Jedną z miar jest SFDR, który reprezentuje najmniejszy sygnał, który można odróżnić od dużego sygnału zakłócającego — w szczególności stosunek amplitudy sygnału nośnego do amplitudy najwyższego sygnału fałszywego, niezależnie od tego, gdzie znajduje się on w widmie częstotliwości, tak że:
$$SFDR = 20 \times log \frac {Nośna} {emisje niepożądane} \qquad (1)$$
SFDR = zakresy dynamiki wolne od zakłóceń (dB), Nośna = wartość RMS sygnału nośnej (szczytowa lub pełnej skali), emisje niepożądane = wartość RMS najwyższej amplitudy prążka zakłóceń w widmie częstotliwości.
SFDR można określać w odniesieniu do pełnej skali (dBFS) lub względem sygnału nośnego (dBc). Tętnienia zasilania mogą wytwarzać niepożądane prążki poprzez sprzężenie z sygnałem nośnym, co degraduje SFDR. Rysunek 1 porównuje SFDR dla szybkiego ADC AD9208, gdy jest zasilany przez czysty i zaszumiony zasilacz. W tym przypadku szum zasilania degraduje SFDR o około 10 dB, gdy tętnienie zasilania przy 1 MHz pojawia się jako modulowane impulsy obok częstotliwości nośnej w widmie wyjściowym szybkiej transformacji Fouriera (FFT) przetwornika ADC.
Stosunek sygnału do szumu (SNR)
Podczas gdy SFDR jest warunkowane przez najwyższy impuls w widmie częstotliwości, SNR zależy od całkowitego szumu w widmie oraz ogranicza zdolność systemu do przetwarzania sygnałów analogowych i do przetwarzania sygnałów o niskiej amplitudzie. SNR jest teoretycznie ograniczone przez rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego w systemie. A także matematycznie zdefiniowany jako stosunek poziomu sygnału nośnego do sumy wszystkich składowych widmowych szumu, z wyjątkiem pierwszych pięciu harmonicznych i prądu stałego, jak pokazuje równanie 2:
$$SNR = 20 \times log \frac {Nośna} {Szum} \qquad (2)$$
SNR = stosunek sygnału do szumu (dB), Nośna = wartość skuteczna sygnału nośnego (w szczycie lub w pełnej skali), Szum = suma rms wszystkich składowych widmowych szumu z wyłączeniem pierwszych pięciu harmonicznych sygnału.
Zakłócenia wprowadzane przez zasilacz mogą przyczyniać się do zmniejszenia SNR poprzez sprzężenie w sygnale nośnym i dodanie składowych widmowych szumu w sygnale wyjściowym. Jak pokazano na rysunku 2, SNR szybkiego przetwornika ADC AD9208 spada z 56,8 dBFS do 51,7 dBFS, gdy tętnienie zasilania o częstotliwości 1 MHz wytwarza składowe szumu widmowego w widmie wyjściowym widoczne na FFT.
Szum fazowy (PN)
Szum fazowy jest miarą stabilności częstotliwości sygnału. W idealnym przypadku oscylator powinien być w stanie wytworzyć dany zestaw stabilnych częstotliwości w określonym czasie. Jednak w rzeczywistości w sygnale zawsze występują niewielkie, niepożądane wahania amplitudy i fazy. Te fluktuacje można zaobserwować na widmie sygnału w postaci prążków po obu bokach sygnału w widmie FFT.
Szum fazowy można zdefiniować na kilka sposobów. Na potrzeby tego artykułu szum fazowy określa się jako szum fazowy pojedynczej wstęgi bocznej (SSB), co jest powszechnie używaną definicją, która wykorzystuje stosunek gęstości mocy częstotliwości sygnału nośnego do całkowitej mocy sygnału nośnego, jak na równaniu 3:
$$SSB PN = 10 \times \frac {Energia w pasmach bocznych} {Moc nośnej} \qquad (3)$$
SSB PN = szum fazowy pojedynczej wstęgi bocznej (dBc/Hz), Energia w pasmach bocznych = moc szumu na 1 Hz pasma przy częstotliwości przesuniętej względem częstotliwości nośnej (W/Hz), Moc nośnej = całkowita moc sygnału nośnego.
Rys.3. (a) Dwa różne zasilacze ze znacznymi różnicami w zakresie zawartości szumów wyjściowych. (b) Wynikowa charakterystyka szumów fazowych urządzenia ADRV9009, gdy jest zasilane odpowiednio przez te dwa źródła.
W przypadku urządzeń przetwarzających sygnały analogowe szum napięcia sprzężony z zegarem urządzenia poprzez napięcie zasilania zegara wytwarza szum fazowy, który z kolei wpływa na stabilność częstotliwości wewnętrznego oscylatora lokalnego (LO). Poszerza to zakres częstotliwości LO w widmie częstotliwości, zwielokrotniając gęstość mocy przy danej częstotliwości przesunięcia od nośnej, co z kolei zwiększa szum fazowy sygnału.
Rysunek 3 pokazuje porównawczą miarę szumu fazowego transceivera ADRV9009, gdy jest zasilany przez dwa różne zasilacze. Rysunek 3a wskazuje widma szumów dla dwóch źródeł, a rysunek 3b obrazuje wynikowy szum fazowy tych źródeł. Oba zasilacze oparte są na regulatorze LTM8063 µModule® z włączoną modulacją częstotliwości z widmem rozproszonym (SSFM). Zaletą SSFM jest to, że poprawia parametry szumowe przy podstawowej częstotliwości przełączania przetwornicy i jej harmonicznych poprzez rozłożenie bazowej frekwencji na pewien zakres. Widać to na rysunku 3a — trzeba zwrócić uwagę na stosunkowo szerokie piki szumów przy 1 MHz i ich harmoniczne. Kompromis polega na tym, że częstotliwość modulacji fali trójkątnej SSFM wytwarza szum poniżej 100 kHz — szczyty zaczynają się około 2 kHz.
Alternatywny zasilacz dodaje filtr dolnoprzepustowy w celu tłumienia szumów powyżej 1 MHz oraz dodatkowy liniowy stabilizator napięcia LDO ADP1764 w celu redukcji ogólnego poziomu szumów, szczególnie poniżej 10 kHz (głównie szum wywołany przez SSFM). Generalna poprawa poziomu szumu zasilacza dzięki dodatkowemu filtrowaniu skutkuje zwiększoną wydajnością szumu fazowego poniżej częstotliwości przesunięcia 10 kHz, jak pokazano na rysunku 3b.
Czułość na zakłócenia zasilania urządzeń do przetwarzania sygnałów analogowych
Wrażliwość obciążenia na tętnienia zasilania można określić ilościowo za pomocą dwóch parametrów:
* Współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR);
* Współczynnik modulacji zasilania (PSMR).
Przyjrzyjmy się bliżej obu parametrom — ich definicji i wpływowi na sygnał.
Współczynnik odrzucenia wpływu zasilania (PSRR)
PSRR reprezentuje zdolność urządzenia do tłumienia szumów obecnych na pinie zasilania w szerokim zakresie częstotliwości. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje PSRR: statyczny (dc) PSRR i dynamiczny (ac) PSRR. DC PSRR jest używany jako miara zmiany offsetu wyjściowego, co jest dyktowane zmianami napięcia zasilania DC. Jest to minimalny problem, ponieważ systemy zasilania powinny dostarczać do obciążenia dobrze regulowane, stabilne napięcie stałe. Z drugiej strony AC PSRR reprezentuje zdolność urządzenia do odrzucania sygnałów prądu przemiennego w zasilaczu prądu stałego w określonym zakresie częstotliwości.
AC PSRR jest mierzone poprzez wprowadzenie sygnału sinusoidalnego na pin zasilania urządzenia i obserwację błędu na jego wyjściu, który pojawia się w postaci zmiany poziomu szumów w widmie wyjściowym przetwornika danych/transceivera przy częstotliwości zakłócenia w zasilaniu (rysunek 4). AC PSRR definiuje się jako stosunek zmierzonej amplitudy wstrzykiwanego sygnału do odpowiedniej amplitudy impulsu błędu w widmie wyjściowym, gdzie:
$$AC_{PSRR} (dB) = 20 \times log \frac {dodane zakłócenia} {zmierzony efekt} \qquad (4)$$
Zmierzone zakłócenia = amplituda zakłóceń widziana w widmie wyjściowym, dodane zakłócenia = amplituda fali sinusoidalnej wstrzykiwanej do linii zasilania urządzenia.
Rys. 4. Błędy w widmie wyjściowym urządzeń przetwarzających sygnał analogowy spowodowany tętnieniem zasilania.
Rysunek 5 przedstawia schemat blokowy typowej konfiguracji PSRR. Na przykładzie szybkiego przetwornika ADC AD9213 10 GSPS — fala sinusoidalna 1 MHz i 13,3 mV p-p jest aktywnie sprzężona na analogowej szynie zasilającej 1,0 V. Odpowiednia cyfrowa wypustka 1 MHz pojawia się powyżej poziomu szumów widma FFT –108 dBFS przetwornika ADC. Cyfrowa wypustka 1 MHz wynosi –81 dBFS, co odpowiada napięciu międzyszczytowemu 124,8 μV w odniesieniu do pełnego zakresu wejścia analogowego 1,4 V p-p. Obliczenie AC PSRR przy 1 MHz, stosując równanie 4, daje AC PSRR 40,5 dB przy 1 MHz. Rysunek 6 pokazuje AC PSRR AD9213 dla szyny AVDD 1.0 V.
Współczynnik modulacji zasilania (PSMR)
PSMR wpływa na urządzenia przetwarzające sygnał analogowy inaczej niż PSRR. PSMR pokazuje czułość urządzenia na zakłócenia zasilania, gdy moduluje ono sygnałem RF wyjście. Efekt może być postrzegany jako modulowany impuls wokół częstotliwości nośnej urządzenia i pojawia się, także jako wstęga boczna nośnej w sygnale.
Modulację zasilania uzyskuje się przez podłączenie wejściowego sygnału tętnienia do modulatora sterującego czystym napięciem stałym za pomocą dedykowanego obwodu sprzęgającego. Tętnienie zasilania jest wprowadzane z generatora sygnału do pinu zasilacza jako sygnał sinusoidalny. Fala sinusoidalna modulowana do nośnej RF tworzy prążki pasma bocznego o częstotliwości przesunięcia równej częstotliwości fali sinusoidalnej. Na amplitudę prążków bocznych ma wpływ zarówno amplituda fali sinusoidalnej, jak i czułość samego urządzenia. Uproszczona konfiguracja pomiaru PSMR jest taka sama, jak dla PSRR, co obrazuje rysunek 5. Jednak analizator wyjściowy koncentruje się na częstotliwości nośnej i jej wstęgach bocznych, jak pokazano na rysunku 7. PSMR jest zdefiniowany jako stosunek amplitudy tętnienia zasilania do modulowanej amplitudy wstęgi bocznej wokół nośnika, jak wynika z równania 5:
$$PSMR(dB) = 20 \times log \frac {dodane zakłócenia} {wypadkowa modulacja} \qquad (5)$$
gdzie wypadkowa modulacja = amplituda zakłóceń przy prążkach bocznych częstotliwości nośnej powstająca na skutek wstrzykiwania zakłóceń; dodane zakłócenia = amplituda przebiegu sinusoidalnego dodanego w modulatorze do zasilania systemu.
Rozważmy szybki przetwornik cyfrowo-analogowy AD9175 o prędkości 12,6 GSPS działający z nośną 100 MHz i tętnieniem zasilania 10 MHz o wartości około 3,05 mVp-p, aktywnie sprzężonym na szynie AVDD 1,0 V. Odpowie temu modulacja o amplitudzie 24,6 μV p-p, która pojawia się w bocznym paśmie sygnału nośnego z przesunięciem równym częstotliwości tętnienia zasilania — około 10 MHz. Obliczenie PSMR przy 10 MHz, stosując równanie 5 daje 41,9 dB. Rysunek 8 przedstawia PSMR 1.0V AVDD układu AD9175 dla kanału DAC0 przy różnych częstotliwościach nośnych.
Określanie maksymalnego dopuszczalnego tętnienia zasilania
PSMR można połączyć z progiem odniesienia zasilanego urządzenia, aby określić maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia w każdej z domen zasilania urządzenia przetwarzającego sygnał analogowy. Sam próg odniesienia może być jedną z kilku wartości reprezentujących dopuszczalny poziom impulsów (spowodowanych tętnieniem zasilania), które urządzenie może tolerować bez znaczącego wpływu na jego wydajność dynamiczną. Ten poziom impulsu może być zakresem dynamiki bez zakłóceń (SFDR), procentem najmniej znaczącego bitu (LSB) lub poziomem szumów widma wyjściowego. Równanie 6 pokazuje maksymalne dopuszczalne tętnienie wejściowe (VR_MAX) jako funkcję PSMR i zmierzonego poziomu szumów każdego urządzenia, gdzie:
$$V_{R max} = [10^{\frac{PSMR}{20}}] \times próg \qquad (6)$$
VR_MAX = maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia na każdej z szyn zasilających przed wytworzeniem impulsu w poziomie szumów widma wyjściowego; PSMR = czułość na szum badanej szyny zasilającej (w dB); próg = z góry określony próg odniesienia (do celów niniejszego artykułu poziom szumów widma wyjściowego).
Na przykład poziom szumów widma wyjściowego AD9175 wynosi około 1 μV p-p. PSMR przy tętnieniu 10 MHz dla nośnej 1800 MHz stanowi około 20,9 dB. W odniesieniu do równania 6 — maksymalne dopuszczalne tętnienie na wejściu zasilania urządzenia, które może to tolerować bez pogorszenia własnej wydajności dynamicznej wynosi 11,1 μV p-p.
Rysunek 9 pokazuje łączne wyniki dla widma wyjściowego stabilizatora obniżającego napięcie LT8650S Silent Switcher® (z filtrem wyjściowym LC i bez niego) oraz maksymalne dopuszczalne tętnienie AD9175 dla szyny AVDD 1.0 V. Wyjście widmowe ze stabilizatora regulatora zawiera w sobie impulsy przy podstawowej częstotliwości przełączania i jej harmonicznych. LT8650S bezpośrednio zasilający AD9175 generuje fundamentalne przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego progu, co skutkuje modulowanymi prążkami wstęgi bocznej w widmie wyjściowym, jak pokazano na rysunku 10. Proste dodanie filtra LC zmniejsza prążki pochodzące z przełączania sekcji zasilania poniżej maksymalnego dopuszczalnego napięcia tętnienia, jak wskazano na rysunku 11.
Rys.9. Widmo mocy wyjściowej zasilacza opartego na LT8650S a maksymalne dopuszczalne tętnienie napięcia na szynie AVDD 1.0 V.
Rys.10. Widmo wyjściowe AD9175 DAC0 przy częstotliwości nośnej 1800 MHz przy użyciu przetwornicy DC/DC Silent Switcher LT8650S podłączonej bezpośrednio do szyny AVDD.
Rysunek 11. Widmo wyjściowe AD9175 DAC0 przy częstotliwości nośnej 1800 MHz przy użyciu LT8650S z zasilaniem z filtra LC.
Podsumowanie
Doskonała dynamika szybkich urządzeń do przetwarzania sygnałów analogowych może być łatwo zniweczona przez szum pochodzący z linii zasilania. Dokładne zrozumienie wrażliwości łańcucha sygnałowego na zakłócenia z zasilania jest konieczne, aby uniknąć pogorszenia wydajności systemu. Można to określić, ustalając maksymalne dopuszczalne tętnienie niezbędne do zaprojektowania sieci dystrybucji energii (PDN) w urządzeniu elektronicznym. Gdy znany jest maksymalny dopuszczalny próg tętnień można zastosować różne podejścia do projektowania zoptymalizowanego zasilacza. Dobry margines w stosunku do maksymalnego dopuszczalnego tętnienia zagwarantuje, że PDN nie obniży wydajności dynamicznej urządzeń do szybkiego przetwarzania sygnałów analogowych.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimizing-power-systems-for-the-signal-chain-part-1.html
Fajne? Ranking DIY
