Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 17 июня
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Проектирование надежных систем связи по линиям электропередачи

Технология PLC (power-line-communication) использует линии высокого напряжения в качестве транспортной среды. Данные передаются по той же линии электропередачи, что обеспечивает подачу электричества в дома или автомобили, избавляя от необходимости использовать дополнительные провода. Технология PLC все чаще применяется во многих приложениях, в т.ч. в интеллектуальных энергосистемах, управлении солнечными панелями, счетчиках энергии, домашних сетях для передачи видео и электромобилях.

Адаптер USB RS485/RS232

Предлагаемое устройство представляет собой адаптер для соединения шин USB и RS485 или RS232. Обмен осуществляется в полнодуплексном режиме.

Человеко-машинный интерфейс. Рекомендации Microchip

В статье рассматривается реализация человеко-машинного интерфейса с помощью микроконтроллера со встроенным графическим контроллером. Анализируются аппаратные и программные составляющие задачи. Приводятся практические рекомендации

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

19 сентября

Тактовые генераторы с малым джиттером для быстродействующих сетей

Постоянный рост частот тактовых генераторов приводит к сокращению запаса устойчивости схем по джиттеру. Для решения этих проблем предназначены современные ИС синхронизации смешанных сигналов, о которых и пойдет речь в статье.



С

точки зрения синхронизации сигналов необходимо обеспечивать четкие фронты тактирующих импульсов. Отклонение фронта синхроимпульса от идеального положения по временной шкале называется джиттером. Для каждого приложения существует предельно допустимый джиттер тактовых сигналов. Чем выше частота синхросигналов, тем строже требования к джиттеру.
В быстродействующих приложениях, таких как волоконно-оптические сети (OTN), 10-Гб Ethernet, оптоволоконный канал и 3G HD SDI периоды следования синхросигналов составляют около 100 пс. Максимальное значение джиттера составляет при этом 10…20 пс, после чего джиттер синхроимпульсов начинает приводить к ошибкам передачи битов.
Плохо разработанные ИС генераторов тактовых импульсов и синхроустройств, в которых нет встроенных фильтров подавления помех источников питания, могут «ловить» и усиливать шумы, увеличивая джиттер на десятки пикосекунд. У разработчиков нет другого выхода, кроме того как устранять источники шумов и уменьшать их влияние. Это неминуемо увеличивает время проектирования, стоимость компонентов  и ведет к усложнению схем.

Источники шумов

Если основными источниками шумов являются источники питания, при разработке следует  учитывать  несколько моментов. Один из них — пульсации, вносимые импульсными источниками питания. В импульсных  источниках питания рабочие частоты составляют 100 кГц…1 МГц.
Величина пульсаций определяется несколькими факторами. Например, снижение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) емкостной нагрузки ведет к снижению падения напряжения на паразитных емкостях и их вклада в увеличение пульсаций. Снизить пульсации можно также, увеличивая частоту переключения, поскольку при этом сокращаются периоды между зарядкой и разрядкой. Более сложный метод заключается в многофазном регулировании, с помощью которого можно еще больше уменьшить периоды между зарядкой и разрядкой
Применение этих методов ведет к повышению стоимости, размеров печатных плат и сложности схем. На практике очень сложно добиться снижения выходных пульсаций  ниже уровня 20 мВ, особенно в случае систем большой мощности. Однако некоторые сетевые и компьютерные приложения допускают размах  пульсаций порядка 100 мВ.
Шум источников питания может быть также вызван работой ИС. Чем чаще происходит включение/выключение цифровых и аналоговых устройств, чем больше нагрузка источника питания и чем больше подключено цифровых входных и выходных шин, тем больше возмущений происходит на шине питания, которые усиливают пульсации через силовые линии и вмешиваются в работу соседних подсистем и ИС. Например, использование большой FPGA, состоящей из нескольких сотен выходных буферов, управляющих большими емкостными нагрузками, приводит к значительному увеличению шумов переключения.
Для решения проблемы, связанной с одновременным переключением, нужно использовать разные выходные буферы на больших шинах входа/выхода, ставить развязывающие каскады и тщательно проектировать слой расположения шин питания, обеспечивая разделение ИС по ним. Каждый из этих способов может помочь снизить этот тип шумов, но стоимость, некоторые особенности и конструкционные ограничения могут сдерживать их применение среди разработчиков.
По иронии судьбы, чаще всего получается так, что системы, которые более других нуждаются в уменьшении джиттера, страдают от огромного количества шумов источника питания.

Шум источников питания синхронизирующих устройств

При том, что шум источника питания может быть уменьшен, полностью устранить его невозможно. Для определения методов снижения такого шума важно знать, как он влияет на систему. В синхронизирующих устройствах шум источника питания превращается в дополнительный джиттер импульсов.
Традиционные кварцевые генераторы (XO) являются простыми схемами, в состав которых входят инвертирующий усилитель и кварц. Из-за простоты кварцевых генераторов, характеризующихся низким джиттером, их производители часто пренебрегают использованием методов устранения шумов источников питания. Зачастую, усилители разрабатываются, тестируются и оцениваются только в условиях низких шумов.
В синхронизирующие устройства входят генераторы — аналоговые, по своей природе, устройства, в которые легко проникает шум. Этот шум превращается в джиттер выходных импульсов при модуляции основной частоты генератора. Чем более чувствителен генератор, тем глубже должна быть модуляция при заданном уровне шума.
У кварцевых генераторов, управляемых напряжением (VCXO), есть другая проблема. Обычно для снижения частоты кварца параллельно ему ставится варактор, который обеспечивает емкостную связь между шиной питания и непосредственно входом генератора. Поскольку вход генератора находится в цепи с очень большим коэффициентом усиления, то даже очень слабая связь может сильно повлиять на величину джиттера.
К основным синхронизирующим  устройствам относятся также схемы с фазовой автоподстройкой частоты (PLL). Традиционная аналоговая PLL состоит из фазового детектора, фильтра нижних частот, генератора, управляемого напряжением (VCO), выходного драйвера и делителя цепи обратной связи.
PLL — это система с обратной связью, требующая применения схем с высокими коэффициентами усиления. Например, VCO, как правило, характеризуется очень высокими коэффициентами усиления, обеспечивающими широкий диапазон охвата. Высокий коэффициент усиления неизбежно ведет к увеличению чувствительности к внешним шумам. Часто даже небольшие пульсации в источнике питания усиливаются в наиболее чувствительных узлах, в результате чего джиттер выходных сигналов значительно увеличивается. В зависимости от архитектуры PLL критичным элементом в ней, в смысле чувствительности к шуму, может стать фильтр нижних частот.
Когда шумы источников питания накладываются на детерминированные сигналы, они выглядят как остроконечные пики на выходных сигналах ИС синхронизации и на линейных выходах системы. Для детектирования шумов источника питания можно использовать спектральный анализатор. Например, если частота переключения источника питания составляет 300 кГц, а выходной сигнал ХО — 156,25 МГц, пики будут наблюдаться на частоте 156,25 МГц ±300 кГц (т.е. на 156,55 и 155,95 МГц) с дополнительными пиками меньшей амплитуды через интервалы 300 кГц.

Способы снижения шума


Несмотря на существующие способы борьбы с шумами источников питания, лучший метод заключается в использовании синхронизирующих схем, способных подавлять внешние помехи. Современные тактирующие устройства обеспечивают очень малое дрожание фронтов тактовых импульсов, на которые шум источника питания практически не оказывает влияния.
Например, технология Silicon Labs’ DSPLL, основанная на запатентованном алгоритме цифрового управления, реализует устройства с функциональностью традиционных аналоговых PLL, обладающих прецизионным цифровым управлением. Применение цифровых схем, в состав которых вместо аналоговых VCO входит цифровой малошумящий перестраиваемый генератор, позволяет уменьшить чувствительность к влиянию аналоговых схем (см. рис. 1). Более того, встроенные в чип малошумящие регуляторы улучшают развязку от шумов источника питания. К тому же, для питания цифровых схем требуется, как правило, меньшее напряжение, чем для аналоговых, что при использовании тех же самых внешних источников напряжения обеспечивает более глубокое регулирование и лучшую развязку самых чувствительных схем.

 

Рис. 1. Встроенные в чип схемы регулирования источника питания и фильтрации являются ключевыми компонентами Silicon Labs’ DSPLL с программируемыми ХО


Из простого сравнения DSPLL с ХО и традиционных ХО становятся очевидны преимущества использования в тактирующих устройствах с малым дрожанием фронтов синхроимпульсов цифровых методов и встроенных в чип схем регулировки мощности. Для примера рассмотрим существенное увеличение джиттера синхроимпульсов при попадании в источник питания ХО синусоидального шума с размахом колебаний 100 мВ (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Аддитивное дрожание синхроимпульсов традиционных ХО обычно
в 3…10 раз больше, чем в DSPLL с ХО


Качание частоты шума в диапазоне 100 кГц…10 МГц и измерение среднеквадратичного (RMS) значения аддитивного джиттера показало, что шум переключения может значительно ухудшить характеристики дрожания даже в ХО с самыми хорошими характеристиками, что является недостатком встроенных в чип схем регулировки мощности и фильтров источников питания. А в тактирующих устройствах на базе DSPLL постоянно поддерживается низкий уровень дрожания даже в присутствии значительных шумов на уровне плат.

Заключение

В приложениях, чувствительных к дрожанию синхроимпульсов, использование методов, снижающих чувствительность к шумам источника питания, увеличивает количество компонентов и, соответственно, стоимость, и снижает функциональные пределы схем. Применение современных технологий, подавляющих внешний шум, является эффективным способом профилактики проблем, связанных с помехами.
Разработчики больших систем могут полагаться на DSPLL с ХО, VCXO и тактирующие устройства, позволяющие даже в очень зашумленных условиях улучшать коэффициент подавления шумов источников питания (PSRR) в 10 раз по сравнению с традиционными ХО. Такой подход сокращает время разработки схем, снижает их сложность, а зачастую и исключает потребность в применении дополнительных схем развязки от источников питания.



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

Автор: Фил Каллахан (Phil Callahan), инженер по применению, Silicon Labs; Джеффри Бэтчелор (Jeffrey Batchelor), инженер по применению, Silicon Labs



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