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Lehren Sie, wenn die Geräuschleistung der Stromversorgung ausreichend ist?

  • Autor:ROGER.
  • Freigabe auf:2021-06-21
Von 5g zu industriellen Anwendungen, mit Sammeln, Lieferung undLagerImmer mehr Daten erweitern auch die SimulationSignalprozessor.Die Leistungsgrenze der Stücke, einige gar nicht jede Sekunde. Da das Tempo der Innovation nie verlangsamt hat, die nächste GenerationelektronischDie Lösung macht die Lösung, um weiter zu schrumpfen,EnergieversorgungDie Effizienz verbessert sich weiterhin, um die Geräuschleistung höher zu erfordern.

Es kann angesehen werden, dass es zur Minimierung oder Isolation von Energiedomänen (Simulation, Nummern, Seriennummern und digitaler Eingangsleistung (E / A.)) Das Geräusch, das erzeugt, um eine hervorragende dynamische Leistung zu erreichen, aber absolut minimalem Rauschen kann den Umsatz der Forschung verringern. Wie weiß der Designer, ob die Rauschleistung der Stromversorgung ausreichend ist? Quantifizieren Sie zunächst die Empfindlichkeit des Geräts, wodurch der Leistungsspektrum-Ausgang an den Leistungsbereich entspricht. Wissen ist Macht: Sparen Sie das übermäßige Design zum SpeichernZeitliche KoordinierungEs gibt eine große Hilfe zum Design.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie Sie die Netzteilrauschempfindlichkeit des Signals in der Signalverarbeitungskette quantifizieren und die maximal akzeptable Stromversorgung berechnen. Auch diskutieren.MessungEinstellen. Schließlich werden wir einige Strategien diskutieren, die den Nachwuchs der No-Domain-Empfindlichkeit und des echten Stromversorgungsgeräuschs erfüllen. Der anschließende Artikel dieser Serie wird diskutieren, wie Sie ADC, DAC undRF-TransceiverVertriebsnetz (PDN).

Erstellen und quantifizieren Sie die Signalverarbeitung Ladeempfindlichkeit für Stromrauschen
Der erste Schritt in der Energieoptimierung besteht darin, die wahre Empfindlichkeit der analogen Signalverarbeitungseinrichtungen an Stromversorgungsgeräusche zu studieren. Dazu gehören die Auswirkungen des Stromversorgungsrauschens in kritische dynamische Leistungsspezifikationen sowie die Charakterisierung von Stromversorgungsrauschen - dh das Leistungsmodulationsverhältnis (PSMR) und das Leistungsunterdrückungsverhältnis (PSRR).

PSMR und PSRR zeigen an, ob es ein gutes Machtunterdrückungseigenschaften gibt, aber es reicht nicht aus, um festzustellen, wie niedrig festgelegt werden soll. Dieser Artikel beschreibt, wie Sie den Ripple-Bandschwellenwert oder das maximal zulässige Stromversorgungsrauschen mit dem PSMR und PSRR bestimmen. Optimiertes Stromversorgungssystem-Design ist nur möglich, um den Schwellenwert zu bestimmen, der dem Energiespektrum-Ausgang entspricht. Wenn sichergestellt ist, dass das Stromversorgungsgeräusch niedriger als seine maximale Spezifikation ist, verringert sich die optimierte Stromversorgung nicht die dynamische Leistung jeder analogen Signalverarbeitungsvorrichtung.

Auswirkungen von Stromversorgungsgeräusch auf analogen Signalverarbeitungsgeräte
Es versteht sich, dass die Wirkung von Stromversorgungsgeräusch auf analogen Signalverarbeitungsvorrichtungen verstanden werden sollte. Diese Effekte können durch drei Messparameter quantifiziert werden:


  • Signalverhältnis (SNR)

  • Phasenrauschen (PN)

Das Verständnis der Auswirkungen von Leistungsrauschen in diese Parameter ist der erste Schritt bei der Optimierung der Leistungsgeräuschespezifikationen.

Kein stray dynamischer Bereich (SFDR)
StromversorgungsgeräuscheKupplungIm Trägersignal eines analogen Signalverarbeitungssystems. Die Auswirkungen des Stromversorgungsrauschens hängen von seiner Intensität von Trägersignalen relativ zum Frequenzbereich ab. Ein Messverfahren ist SFDR, das das kleinste Signal darstellt, das von dem großen Interferenzsignal unterschieden werden kann - insbesondere das Verhältnis der Amplitude des Trägersignals und der maximalen Störsignalamplitude, egal welche Position im Spektrum ist, er hat erhalten wurde. Formel Formel:



Trägersignal

Störendes Signal

Sfdr = kein stray dynamischer Bereich (dB)

Trägersignal = mittlerer quadratischer Wurzelwert (Peak oder volle Skala) der Trägersignalamplitude

Spirationssignal = mittlerer quadratischer Wurzelwert der höchsten Spordamplitude im Spektrum


Abbildung 1. SFDR des AD9208-Hochgeschwindigkeits-ADC mit (a) eine saubere Stromversorgung und (b) Geräuschnetzversorgung.

SFDR kann relativ zu Full Scale (DBFS) oder Trägersignal (DBC) angegeben werden. Die Stromkräuter ist mit Trägersignalen gekoppelt, um Interferenzstörungen zu erzeugen, die SFDR verringert. Abbildung 1 vergleicht die SFDR-Leistung des AD9208-High-Speed-ADC in beiden Fällen von Stromversorgungs- und Geräuschnetzteil. In diesem Fall, wenn 1 MHz Power Wellple ein schnelles Ereignis von ADC als Modulationssporn istFourierTransform (FFT) Spektrum-AusgangsträgerFrequenzIn der Nähe reduziert das Leistungsrauschen SFDR auf etwa 10 dB.

Signalverhältnis (SNR)
SFDR hängt vom höchsten Sporn im Spektrum ab, während der SNR vom Gesamtgeräusch innerhalb des Spektrums abhängt. Der SNR begrenzt die Fähigkeit, niedrige Amplitudensignale durch das analoge Signalverarbeitungssystem zu identifizieren, und theoretisch von der Umrichterauflösung im System beeinflusst. Der SNR ist definiert als Summe der Summe des Trägersignalpegels und aller Rauschspektrumkomponenten (mit Ausnahme der ersten fünf Harmonischen und DC), wobei:



Trägersignal

Störendes Signal

SNR = Signal an Rauschverhältnis (dB)

Trägersignal = mittlerer quadratischer Wurzelwert (Peak- oder Vollwaage) von Trägersignalen

Spectrum Rauschen = alle Geräuschspektrumkomponenten außer den fünf fünf Harmonischen

Die Geräuschnetzversorgung verringert den SNR, indem er Rauschspektralkomponenten in dem Trägersignal an das Ausgangsspektrum hinzufügt. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird, wenn eine Spektrum-Rauschkomponente im FFT-Ausgangsspektrum in dem FFT-Ausgangsspektrum erzeugt wird, der SNR des AD9208-Hochgeschwindigkeits-ADCs von 56,8 dbfs auf 51,7 dBfs reduziert.

Phasenrauschen (PN)
Phasenrauschen ist Parameter, die Signalfrequenzstabilität messen. Im Idealfall,OszillatorInnerhalb eines bestimmten Zeitraums sollte ein Satz spezifischer stabiler Frequenzen erzeugt werden. In der realen Welt gibt es jedoch immer kleine Interferenzamplitude und Phasenschwankungen im Signal. Diese Phasenschwankungen oder Jitter sind auf beiden Seiten des Signals im Spektrum verteilt.

Phasenrauschen kann auf verschiedene Arten definiert werden. In diesem Artikel ist Phasenrauschen als ein einseitiges Bandrauschen (SSB) definiert, das eine üblicherweise definierte Definition ist, die die Leistungsdichte der Trägersignal-Offsetfrequenz und die Gesamtleistung des Trägersignals verwendet, wobei:



Gürtelleistungsdichte

Trägerleistung

SSB PN = Single Sideband-Phasenrauschen (DBC / Hz)

Seitenband Leistungsdichte = Rauschleistung (W / Hz) pro 1 Hz Bandbreite unter Trägersignal Offsetfrequenz

Trägerleistung = Total Carrier Power (W)


Abbildung 2. SNR des AD9208 High-Speed-ADC mit (a) Waschleistung und (b) Geräuschnetzversorgung.


Abbildung 3. (a) zwei unterschiedliche Netzteile mit signifikanten Unterschieden im Ausgangsrauschen. (b) Wenn die Stromversorgung von diesen beiden Netzteilen angetrieben wird, ist die von der ADRV9009 erzeugte Phasenrauschleistung.

Für analoge Signalverarbeitungsgeräte, PassUhrDas Spannungsrauschen der Stromversorgungsspannung ist mit dem Gerätetakt gekoppelt, erzeugt Phasenrauschen, was wiederum die Frequenzstabilität der internen Vibration (LO) beeinflusst. Dies erweitert den Bereich der LO-Frequenz im Spektrum, was die Leistungsdichte an der Versatzfrequenz erhöht, die dem Träger entspricht, wodurch das Phasegeräusch erhöht wird.

Abbildung 3 vergleicht die Phasenrauschleistung des Transceivers von ADRV9009, wenn die Stromversorgung von zwei verschiedenen Netzteilen angetrieben wird. Fig. 3A zeigt das Rauschspektrum der beiden Netzteile, und 3b zeigt das resultierende Phasenrauschen. Beide Netzteile basieren auf LTM8063 μModule® mit der Erweiterung (SSFM)Stabilisator. Der Vorteil von SSFM ist dasBasisbandIn einem bestimmten Bereich verteilt, verbessern Sie die grundlegende Welle des KonvertersSchalterHäufigkeits- und Rauschleistung seiner Harmonischen. Aus Fig. 3A ist dies zu sehen - beachten Sie, dass bei 1 MHz und seiner Harmonischen einen relativ breiten Geräuschspitzen vorhanden ist. Es ist notwendig, die Rücksicht zu handeln, die SSFM-Triangulationsmodulationsfrequenz erzeugt Geräusche unter 100 kHz - achten Sie auf den Spitzenstart von 2 kHz.

Alternative Stromversorgung einen Tiefpass hinzufügenFilterUm das Rauschen über 1 MHz zu unterdrücken, fügen Sie einen ADP1764-Rückenregler mit niedriger Druckdifferenz (LDO) hinzu, um das Ganze zu reduzierenUntergeräuscheTon, insbesondere das Geräusch unter 10 kHz (hauptsächlich das von SSFM erzeugte Geräusche). Aufgrund der zusätzlichen Filterung wird das Gesamtstromversorgungsrauschen verbessert, wodurch die Phasenrauschleistung unter 10 kHz-Versatzfrequenz verbessert wird, wie in Fig. 3B gezeigt.

Leistungsgeräuschempfindlichkeit von analogen Signalverarbeitungsgeräten
Die Empfindlichkeit der Last auf der Kraftwelligkeit kann durch zwei Parameter quantifiziert werden:

  • Leistungsunterdrückungsverhältnis (PSRR)

  • Leistungsmodulationsverhältnis (PSMR)

Leistungsunterdrückungsverhältnis (PSRR)
PSRR stellt die Fähigkeit des Geräts dar, das Netzteilrauschen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs abzuschwächen. Typischerweise gibt es zwei Arten von PSRR: Static (DC) PSRR und Dynamic (AC) PSRR. DC PSRR wird verwendet, um die Ausgangsversatzänderung zu messen, die durch die Änderung der Gleichspannungsversorgungsspannung verursacht wird. Dies ist fast keine Aufmerksamkeit, da das Leistungssystem eine stabile Einstellung der Gleichspannung an die Last liefern sollte. Andererseits stellt der AC-PSRR die Fähigkeit des Geräts dar, Wechselstromsignale in der Gleichstromquelle innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu unterdrücken.

Der Wechselstrom-PSRR wird bestimmt, indem ein Sinuswellensignal in den Leistungsstiften der Vorrichtung eingespritzt wird, und Beobachtung des Fehlers Pseudo, der auf dem Datenwandler / Transceiver-Ausgangsspektrum in der Injektionsfrequenz dispergiert ist (Abb. 4). AC PSRR definiert das Verhältnis der entsprechenden Fehlerbewegungsamplitude und des Ausgangsspektrums, wobei das gemessene Einspritzsignalamplitude ist:



Wellen injizieren

Fehlersporn

Fehler Dispersionen = Spirusamplitude in der Ausgangsspektroskopie, die durch Einspritzen der Welligkeit verursacht wird

Einspritzkräuter = Sinuswellenamplitudenkupplung und an dem Eingangsstockstift gemessen


Abbildung 4. Fehlerspakte in der Analog-Signalverarbeitungsvorrichtung-Ausgangsspektrum, die durch Stromkräuter verursacht wird.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine typische PSRR-Einstellung zeigt. Einnehmen der AD921310 GSPS High Speed ​​ADC Als Beispiel gibt es eine Quelle, die 1 MHz, 13,3 MV-Peaks auf der 1,0-V-analogen Stromschiene enthält. Der entsprechende 1-MHz-Digitalisierte Spur wurde auf dem ADC-108-DBFS-FFT-Spektrum gefunden. 1 MHz digitalisiert Pseudo beträgt -81 dbfs, die entsprechende Spitzenspannung beträgt 124,8 μV, und der Simulationseingang des 1,4-V-Spitzenwerts ist vollständig gradierbar. 1 MHz AC-PSRR wurde unter Verwendung von Gleichung 4 berechnet, um 1 MHz AC-PSRR auf 40,5 dB zu ergeben. Abbildung 6 zeigt den AD9213 1.0 V AVDD Rail Exchange PSRR.


Abbildung 5. PSRR / PSMRPrüfungSetzen Sie das vereinfachte Blockdiagramm ein.


Abbildung 6.1.1.0 V AVDD-Schiene AD9213 High-Speed ​​ADC AC-PSRR.

Leistungsmodulationsverhältnis (PSMR)
Die Auswirkungen von PSMR auf analogen Signalverarbeitungsgeräte unterscheidet sich von PSRR. PSMR wird verwendetRfWenn das Trägersignal moduliert ist, ist die Vorrichtung empfindlich gegen Stromversorgungsgeräusche. Dieser Effekt kann als modulatisierter, um die Trägerfrequenz, das an der Vorrichtung angelegte Trägerfrequenz umgibt, und zeigt das Trägerseite an.

Leistungsmodulation mit der Verwendung von Line Injector / KupplungSchaltkreisDas Eingangswellungssignal wird mit einer sauberen Gleichspannung kombiniert. Die Stromkräuter wird in den Netzteil vom Signalgenerator als Sinuswellensignal eingespritzt. Die an den HF-Träger modulierte Sinuswelle erzeugt den Seitenbandriemen, seine Offsetfrequenz ist gleich der Sinuswellenfrequenz. Der Aufprallpegel wird von der Amplitude der Sinuswelle und der Empfindlichkeit des Geräts beeinflusst. Die vereinfachte PSMR-Testeinstellung ist derselbe wie PSRR, wie in Fig. 5 gezeigt, der Ausgang jedoch hauptsächlich die Trägerfrequenz und seinen Randstreifen anzeigt, wie in Fig. 2 gezeigt. PSMR ist definiert als das Verhältnis der Leistungseinspritzkräuteramplitude und des Trägers, der die Spleißamplitude umgibt, wobei:



Wellen injizieren

Modulationsspur

Modulation Störungen = trägerlose Größe der Trägerfrequenzkante, die durch Injektionswelligkeit verursacht wird

Einspritzkräuter = Sinuswellenamplitudenkupplung und an dem Eingangsstockstift gemessen


Abbildung 7. Modulationsseitenband-Sporn in Trägersignalen, die durch Stromkräuselungen verursacht werden.

Angenommen, die AD917512.6-GSP-Hochgeschwindigkeits-DAC arbeitet bei 100 MHz-Träger, und es gibt eine 10-MHz-Kraftwelligkeit von 3,05 mV-Peaks in der 1,0-V-AVDD-Schiene. Die entsprechende 24,6 μV-Peak-To-Peak-Modulationsstrecke ist die Versatzfrequenz gleich etwa 10 MHz, was etwa 10 MHz entspricht. 10 MHz PSMR wurde unter Verwendung von Gleichung 5 berechnet, um 41,9 dB zu erhalten. Fig. 8 zeigt den Kanal DAC0 AD9175 1.0V AVDD Rail PSMR bei verschiedenen Trägerfrequenzen.


Abbildung 8.1.1.0 V AVDD-Schiene (Kanal DAC0) AD9175 High Speed ​​DAC PSMR.

Bestimmen Sie die maximal zulässige Stromkräuter
Das PSMR kann mit der Referenzschwelle der Leistungsaufnahmevorrichtung kombiniert werden, um die maximal zulässige Spannungswanne jedes Leistungsbereichs der analogen Signalverarbeitungsvorrichtung zu bestimmen. Der Referenzschwellenwert selbst kann eine von mehreren Werten sein, die die Gerätetoleranz darstellt, ohne die dynamische Leistung erheblich zu beeinträchtigen (verursacht durch Stromwelligkeit). Dieses trägerlose Niveau kann ein Prozentsatz des NO stray dynamischen Bereichs (SFDR), das niedrigste signifikante Bit- (LSB) oder das Ausgabespektrum sein. Die Gleichung 6 zeigt, dass die maximal zulässige Eingangswanne (VR_MAX) eine funktionelle Beziehung mit dem PSMR und den jeweiligen Vorrichtungen ist, wobei:



Schwelle

VR_MAX = maximal zulässige Spannungswelligkeit an jedem der Netzschienen, bevor das Ausgabespektrum im Geräusch des Ausgangsspektrums erzeugt wird

PSMR = Rauschempfindlichkeit (DB) der Zielkraftschiene (DB)

Schwellenwert = Vordefinierter Referenzschwellenwert (Ausgabespektrum ist in diesem Artikel Rauschen)

Beispielsweise ist das Ausgabespektrum des AD9175 etwa 1 μV-Spitzenwerts. Die PSMR von 1800 MHz-Trägern betrug etwa 20,9 dB unter 10 MHz Welligkeit. Unter Verwendung von Gleichung 6 ist die maximal zulässige Welligkeit seiner dynamischen Leistung 11,1 μV-Spitzenwert in den Geräten der Geräte.

Fig. 9 zeigt eine Kombination aus der maximal zulässigen Welligkeit der AD9175 1.0-V-AVDD-Schiene zum LT8650S BUCK SILENT Switcher®-Regler (Band- und Nicht-Ausgangs-LC-Filter). Der Reglerspektrum-Ausgang enthält eine unechte Streuung in der Basiswellen-Schaltfrequenz und seiner Harmonischen. LT8650S, die direkt für den AD9175 angetrieben werden, erzeugt eine Basisfrequenz, die den maximal zulässigen Schwellenwert überschreitet, was zu einem modulierten Randgurt-Spurray in dem Ausgangsspektrum führt, wie in Fig. 2 gezeigt. Ein einfaches Hinzufügen eines LC-Filters an die maximal zulässige Welligkeit, wie in Abbildung 11 gezeigt.


Abbildung 9. Die Beziehung zwischen dem Leistungsspektrum-Ausgang und der maximal zulässigen Spannungswelligkeit auf der 1,0-V-AVDD-Schiene.


Abbildung 10. AD9175 DAC0-Ausgangsspektrum bei 1800 MHz-Trägerfrequenzen (direkt an der AVDD-Schiene mit dem LT8650S-DC-DC-Silent-Switcher-Wandler).


Abbildung 11. AD9175 DAC0-Ausgangsspektrum bei 1800 MHz-Trägerfrequenzen (mit LT8650s mit LC-Filterleistung).

abschließend
Die hervorragende dynamische Leistung von Hochgeschwindigkeits-Simulationssignal-Verarbeitungsvorrichtungen ist leicht durch Stromversorgungsgeräusche geschwächt.Um den Abnahme der Systemleistung zu vermeiden, ist es erforderlich, die Empfindlichkeit der Signalverbindung vollständig auf das Stromversorgungsgeräusch zu verstehen.Dies kann bestimmt werden, indem die maximal zulässige Welligkeit eingestellt wird, der maximal zulässige Welligkeit ist für das Distributionsnetzwerk (PDN) entscheidend.Nachdem Sie den maximal zulässigen Ripple-Schwellenwert kennen, können Sie eine Vielzahl von Möglichkeiten, um die Macht zu optimieren.Wenn die maximal zulässige Welligkeit einen guten Rand hat, verringert das PDN die dynamische Leistung der Hochgeschwindigkeitsanalogsignalverarbeitungsvorrichtung nicht.