Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 8 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Как установить синфазное напряжение при сопряжении усилителя с АЦП

В статье рассмотрены методы сопряжения усилителя и АЦП, позволяющие установить синфазное напряжение на входе преобразователя так, чтобы обеспечить максимальный динамический диапазон и точность преобразования. Статья представляет собой перевод [1].

Эффективная разрядность как критерий выбора АЦП

При выборе АЦП нельзя руководствоваться только эффективной разрядностью. В некоторых случаях этот параметр не отражает качества работы преобразователя. В статье рассмотрены некоторые тонкости, касающиеся расчета и трактовки данного параметра.

В чем разница между точностью и разрядностью АЦП?

Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

1 июля

АЦП с большой частотой опроса, высоким разрешением и низкой мощностью

В статье с использованием расчетных соотношений подробно рассказывается о выборе частоты преобразования для быстродействующих АЦП. В качестве параметров для оптимизации используются соотношение сигнал/шум (SNR) и динамический диапазон, свободный от паразитных выбросов (SFDR). Примеры иллюстрированы графиками.



П

оявление новых архитектур и успехи в развитии методов проектирования интегральных схем (ИС) позволили производителям АЦП улучшить такие характеристики продукции как частота опроса, разрешение и потребляемая мощность. При этом новые поколения АЦП позволяют разработчикам упрощать проектирование систем. Например, одновременное повышение частоты опроса и разрешения АЦП облегчает разработку программного обеспечения (ПО) для систем радиосвязи с изменяемыми параметрами (SDR). Такие системы радиосвязи должны оцифровывать широкий частотный спектр сигналов с большим динамическим диапазоном для обеспечения их одновременной передачи на короткие и длинные расстояния с использованием различных форматов. Подобно этому для увеличения чувствительности и точности современных устройств необходимо повышать частоту опроса и разрешение АЦП. Улучшение характеристик АЦП обеспечивает реализацию определенных опций во многих приложениях, а снижение мощности потребления АЦП на порядок упрощает тепловой расчет и позволяет уменьшить размеры самих устройств.
В системах связи применение одного АЦП для оцифровывания всего спектра частот (вместо ограниченного количества каналов) может значительно упростить схему приемника. Для этого весь спектральный диапазон не должен выходить за пределы первой зоны Найквиста АЦП. Это означает, что частота опроса (Fs) должна быть, по крайней мере, в два раза больше ширины спектра (BW) полезного сигнала, т.е. (FS ≥ 2· BW). К тому же, значительное повышение частоты опроса ведет к упрощению схем необходимых фильтров подавления шумов и предварительных каскадов приемника.
Рассмотрим пример оцифровывания 75-МГц GSМ-диапазона с частотой опроса 184,32 Мвыб./с при использовании высокоселективных фильтров. Если применяются фильтры не выше третьего порядка, требуются драйверы АЦП с уровнем искажений сигнала за счет второй гармоники (H2) не более –75 дБн (дБн — децибелы по отношению к уровню сигнала на центральной частоте). Как показано на рисунке 1, расстояние от края GSМ-диапазона до первой гармоники, способной внести помехи в заданную полосу частот, составляет только 25,74 МГц.

Рис. 1. Расположение Н2 гармоники при частоте опроса FS = 184,32 Mвыб./с


Увеличение частоты опроса до 491,52 Мвыб./с, как показано на рисунке 2, сдвигает ближайшую гармонику, способную вызвать помехи, на 140,04 МГц в сторону от края заданного частотного диапазона, что снижает требования к фильтру и драйверу.
На рисунке 3 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) двух идеальных инверсных фильтров Чебышева третьего порядка. В случае частоты опроса 491,52 Мвыб./с, 114-МГц интервал между источником помех и краем диапазона позволяет значительно увеличить зону ослабления фильтра. Это позволяет также использовать менее мощный драйвер АЦП с меньшим на 23,5 дБ искажением сигнала за счет второй гармо­ни­ки (H2).

Рис. 2. Расположение Н2 гармоники при частоте опроса FS = 491,52 Mвыб./с

Рис. 3. АЧХ двух идеальных инверсных фильтров Чебышева третьего порядка


Повышение частоты опроса позволяет более гибко управлять частотными характеристиками радиосхем. Во многих случаях повышение частоты опроса, которое выше значений, определяемых критерием Найквиста, позволяет вывести вторую и/или третью интерферирующие гармоники из заданного частотного диапазона. В свою очередь это позволяет выбранному 14-ти разрядному АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с улучшить и без того замечательные высокочастотные характеристики SFDR еще на 8 дБ в 55-МГц полосе частот, с центральной частотой 194,5 МГц.
АЦП с высоким разрешением, способный работать с частотой опроса 491,52 Мвыб./с, освобождает выбранный 75-МГц диапазон с центральной частотой 122,88 МГц от всех вторых гармоник, что и показано на рисунке 4. Поскольку вторые гармоники от 75-МГц не проникают в интересующий диапазон, они легко отфильтровываются цифровым способом. Это способствует снижению требований к фильтру и драйверу АЦП, уменьшает стоимость радиосистем и их сложность.

Рис. 4. Частотная характеристика 75 МГц приемника при частоте опроса 491,52 Mвыб./с


Дополнительное преимущество использования повышенной частоты опроса заключается в снижении минимального уровня шума выбранного канала. Это становится очевидным, если вместо привычного SNR в зоне Найквиста рассмотреть шум, отнесенный к одному Гц. Следующее уравнение показывает связь между этими двумя величинами:

 

SNR [дБFS/Гц] = SNR [дБFS/Nyquist] + 10 log10 (Fs/2),

 

где дБFS — полный диапазон, выраженный в дБ; Nyquist — ширина первой зоны Найквиста.
При одной и той же частоте опроса 491,52 Мвыб./с SNR Найквиста АЦП составляет 73 дБFS (во всем диапазоне), а SNR/Гц равен при этом 156,9 дБFS/Гц.
SNR/Гц на выходе АЦП при том же самом SNR Найквиста, но при частоте опроса 184,32 Мвыб./с, будет равен
152,6 дБFS/Гц. Таким образом, увеличение частоты опроса до частоты, которая выше частоты Найквиста, привело к улучшению SNR на 4,3 дБ на канал. Для Fs1 = 491,52 Мвыб./с и Fs2 = 184,32 Мвыб./с, улучшение составило те же 4,3 дБ.
Аналогично улучшение SNR при повышении частоты опроса можно оценить по следующей формуле: 10 log10(Fs1/Fs2). При Fs1 = = 491,52 Мвыб./с и Fs2 = 1·84,32 Мвыб./с улучшение составляет те же самые 4,3 дБ.
Как в приложениях связи, так и в оборонной отрасли, требуются приемники с широкими частотным и динамическим диапазонами. В этих областях актуальными являются проекты по разработке приемников для радиотехнической разведки Signals Intelligence (SIGINT), а также по разработке радаров для использования в военных целях и в системах обеспечения внутренней безопасности (Homeland Security). SIGINT-системы можно разделить на системы разведки связи Communications Intelligence (COMINT, обеспечивающие связь между людьми) и системы радиотехнической разведки Electronic Intelligence (ELINT, обычно это радарные системы).
Оба типа систем — и COMINT, и ELINT — выигрывают при расширении частотного диапазона, поскольку это позволяет в заданном временном интервале собрать большее количество информации. Чем больше полоса частот приемника радара, тем больше его пространственное разрешение, что в свою очередь позволяет различать меньшие объекты и разделять объекты, связанные друг с другом.
В SIGINT-системах и приемниках радаров обычно используются АЦП высокого разрешения с частотой опроса 100…200 Мвыб./с. Гораздо реже в таких системах применяются 12–14-ти разрядные преобразователи с частотой опроса 250…500 Мвыб./с. Для новейших разработок требуются многоканальные GSPS-преобразователи (сверхбыстродействующие АЦП) с таким же диапазоном разрешения, в которых применяется временное разделение сигнала между  множеством монолитных АЦП, расположенных на одной печатной плате. В таких приложениях критичным является потребление мощности каждого АЦП, поскольку приемники некоторых радаров могут содержать сотни АЦП.
Вторым направлением развития приемников в сфере электроники для оборонной отрасли является расширение их динамического диапазона, в основном за счет управления соотношением SNR. Динамический диапазон определяет способность приемника детектировать малые сигналы на фоне больших.
Для примера рассмотрим два объекта, образы которых принимаются радарной системой. Первый объект, являющийся целью, расположен гораздо дальше от антенны, чем второй. Ближайший объект производит гораздо более сильный отраженный сигнал, по которому определяется общий коэффициент усиления, не позволяющий приемнику входить в режим насыщения. Очевидно, что сигнал от целевого объекта будет гораздо меньше, и может быть не принят совсем, если его величина ниже порога детектирования, устанавливаемого динамическим диапазоном.
В SIGINT-системах, чем больше динамический диапазон, тем успешнее происходит захват и декодирование более слабых и удаленных сигналов в присутствии помех (естественных или искусственных), что обеспечивает более надежную защиту и своевременное предупреждение об угрозе. Маломощный 14-ти разрядный АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с с высоким соотношением SNR, например, такой как ISLA214P50IRZ компании Intersil, со встроенной поддержкой систем с временным разделением, хорошо подходит для использования в электронных устройствах для оборонной отрасли, особенно для SIGINT-систем и радаров.
Если динамический диапазон и частота опроса АЦП подобраны соответствующим образом, как описано раньше, следующим важным параметром становится потребление мощности. Предшествующие поколения АЦП потребляли несколько Вт, поскольку имели более низкую частоту опроса и меньший динамический диапазон.
Такой уровень потребления оказывает влияние на многие характеристики системы, и не только на такие очевидные как стоимость потребляемой электроэнергии и продолжительность службы батарей. Во многих приложениях, использующих АЦП с потреблением несколько Вт, могут возникнуть проблемы с выделяемым такими устройствами теплом. И возникающие здесь ограничения связаны не только с отводом этого тепла, но также и с тем, что повышающаяся температура ухудшает характеристики и надежность всей системы, и не только преобразователей данных, но и всех окружающих компонентов и цепей. Из-за этих проблем актуальным является выбор АЦП, удовлетворяющий все технические требования, с потреблением мощности до 1 Вт, что облегчает проектирование системы.
В системах, в состав которых входят десятки тысяч устройств, учитывается каждый мВт потребленной электроэнергии. Например, сокращение энергопотребления на 1,5 Вт на одно устройство в сети, состоящей из 36 000 4G базовых станций, приведет к экономии в 50 кВт. И несмотря на то, что устройства в таких сетях обычно не рассчитаны с технологической точки зрения на питание от батарей, они все же часто требуют применения систем резервного электропитания. Снижение энергопотребления каждого из устройств облегчает требования к таким системам и уменьшает их стоимость.
Еще одной проблемой высокого энергопотребления является тепло, выделяемое всеми устройствами. Эта проблема становится особенно острой в случае использования маленьких корпусов и при плотном монтаже, где есть недостаток пространства между элементами. Во многих телекоммуникационных приложениях платы электронных схем устанавливаются в корпуса, в которых расстояние между платами по вертикали составляет приблизительно 1” (2,5 см)
В подобных конструкциях трудно разместить радиаторы, которые обычно требуются для устройств с многоваттным потреблением. Более того, в устройствах типа радаров с фазированными решетками размеры элементов определяются длиной волны СВЧ-сигнала, поэтому плотность теплового потока становится очень высокой.
Даже считая, что тепловыделение в корпусах устройств находится под контролем, необходимо проверять, как постоянно высокие рабочие температуры сказываются на надежности и характеристиках всей системы. В случае типовой ИС с тепловым сопротивлением (ΘJA) 20…50°C/Вт и потреблением 2,5 Вт, если не использовать соответствующий радиатор, температура перехода может стать на 50…125°C выше окружающей температуры. Поскольку тепловой шум пропорционален квадратному корню из температуры, любое повышение температуры перехода АЦП негативно скажется на величине соотношения SNR.
Ухудшение SNR может быть весьма существенным. Например, превышение комнатной температуры на 60°C приведет приблизительно к 10-% увеличению теплового шума, что вызовет снижение типового значения SNR АЦП где-то на 1 дБ. Более того, ожидаемый срок службы устройства обратно пропорционален температуре. Для типовой ИС повышение температуры перехода на 40°C может привести к снижению срока службы в 2–3 раза. Это серьезная проблема для приложений, в которых принципиальным параметром является долговечность устройств.
Очевидно, что улучшение характеристик АЦП выгодно отражается на многих  приложениях. Например, появление 14-ти разрядного АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с и потреблением менее 1 Вт позволило разработать приемник базовой станции, способный проводить оцифровывание всего 75-МГц GSM-диапазона, используя маломощный драйвер АЦП и простую фильтрацию каналов без применения LDO-регуляторов с высокими рабочими токами, больших радиаторов и вентиляторов.
Тот же самый АЦП может быть применен в современных радарах с фазированными решетками. Его очень большая частота опроса и высокое разрешение позволяют улучшить чувствительность, а пониженное энергопотребление позволяет упростить тепловой расчет, что очень важно в устройствах с пространственными ограничениями для элементов. Таким образом, улучшение технологии АЦП благоприятно сказывается на характеристиках, надежности и стоимости систем, в которых они используются.
Компания Intersil хорошо представляет, с какими проблемами приходится сталкиваться разработчикам высокопроизводительных систем, поэтому она выпустила новое семейство преобразователей, отвечающих требованиям таких приложений. Первым АЦП в этом семействе является ISLA214P50IRZ — 14-ти разрядный АЦП с частотой опроса 500 Mвыб./с, потреблением менее 925 мВт и SNR свыше 73 дБ. Благодаря комбинации очень высокой частоты опроса, широкого динамического диапазона и сверхнизкого потребления этот АЦП хорошо подходит для широкополосной связи, обработки сигналов радаров и спутниковых антенн, высокоскоростного приема данных, линеаризации усилителей мощности и тестирования средств связи.

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Эд Колер (Ed Kohler), Марк Райвз (Mark Rives) и Дэйв Карр (Dave Carr), Intersil Corporation



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты