Анализ и управление воздействием шума питания и джиттера синхронизации на высокоскоростной фазовый шум dac

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Анализ и управление воздействием шума питания и дрожания часов на высокоскоростном фазовом шуме ЦАП

Узнайте о фазовом шуме и о том, как создавать проекты, которые избегают его в высокоскоростных ЦАП.

Из всех свойств устройства шум может быть особенно сложной задачей для понимания и проектирования. Такие проблемы часто приводят к правилам проектирования слуха и разработке проб и ошибок. В этой статье будет рассмотрен фазовый шум с целью количественного определения того, как проектировать вокруг вклада фазового шума в высокоскоростных цифроаналоговых преобразователях. Цель состоит в том, чтобы получить методологию, которая не предусматривает ни чрезмерного проектирования, ни недоработки требований к фазовому шуму, но, скорее, правит в первый раз.

Начиная с чистого листа, ЦАП сначала рассматривается как блок-блок. Шум может генерироваться внутренне, так как любой реальный компонент генерирует некоторый шум или шум может поступать из внешних источников. Вход из внешних источников может происходить через любое соединение ЦАП, которое в целом включает в себя питание, синхронизацию и цифровые интерфейсы. Эти возможности проиллюстрированы на рисунке 1. Каждый из этих возможных подозреваемых в шуме будет исследоваться индивидуально, чтобы понять их важность.

Рисунок 1. Источники фазового шума ЦАП

Цифровой интерфейс будет покрыт первым, и его проще всего обработать. Цифровой ввод-вывод отвечает за прием выборок, которые выводятся в аналоговый домен. Как общеизвестно, цифровая схема и принимаемые сигналы являются шумными, что видно на диаграммах глаз. С этой точки зрения возникает вопрос: может ли этот шум и активность проникать в различные регионы внутри ЦАП и проявляться как фазовый шум? "Src =" // www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Bergeron_2.jpg" />

Рисунок 2. Фазовый шум при разных интерполяциях

Пики действительно отображаются с включенным интерфейсом и перемещаются в соответствии с информацией о интерфейсе. Теперь интересно то, что шум и все кривые находятся друг на друге. В результате в этой линейке продуктов интерфейс не вызывает беспокойства, несмотря на те шпоры, которые могут потребовать внимания в зависимости от системных требований. Поиск того, что интерфейс малоинтересен, ведет к следующей интересующей области: синхронизация.

Clocking

Синхронизация имеет первостепенное значение для генерации фазового шума в ЦАП, а именно для ЦАП. Эти часы определяют, когда будет отправлен следующий образец, поэтому любой шум в фазе (или времени) напрямую влияет на фазовый шум выхода, как показано на рисунке 3. Этот процесс можно рассматривать как умножение между каждым последующим дискретным значением с прямоугольная функция, время которой определяется часами. Теперь в частотной области умножение переводится в операцию свертки. В результате желаемый спектр смазывается тактовым фазовым шумом, как показано на рисунке 4. Точная зависимость, однако, не сразу очевидна. Далее следует быстрый вывод.

Рисунок 3. Зависимость от времени и фазы

Рисунок 4. Свертка фазового шума

Принимая моментальный снимок во времени часов и выхода, экземпляр формы волны показан на рисунке 5. Целью является найти соотношения между амплитудами шума часов и выхода, показанными красными стрелками на рисунке 6. Правые треугольники могут и хотя ни одна из длин не известна, оба треугольника имеют общую горизонтальную сторону.

Рисунок 5. Создание моментального снимка

Рисунок 6. Отношение фазового шума

Устанавливая наклоны как производные соответствующих осциллограмм, геометрия дает следующее уравнение:

Переупорядочение для шума ЦАП дает следующее уравнение:

Поскольку нас часто интересуют синусоидальные или близкие к синусоидальным сигналам выходные сигналы ЦАП и часы, результат может быть упрощен. Если это предположение не выполняется, соблюдайте предыдущую формулировку.

И затем, реорганизовывая, мы получаем следующее:

Обратите внимание, что отношение шума равно отношению к соответствующей амплитуде сигнала, поэтому оно кратко суммируется относительно носителя. Кроме того, используя логарифмические единицы, мы приходим к следующему уравнению:

Шум относительно несущей масштабируется вверх и вниз в соответствии с отношением частоты сигнала к тактовой частоте. Каждая половина частоты сигнала приводит к улучшению шума на 6 дБ. Изучая геометрию, это имеет смысл, поскольку треугольник на дне станет более острым и уменьшит вертикальную сторону. Также обратите внимание, что увеличение тактовой амплитуды не улучшает фазовый шум, если шум увеличивается с одинаковой амплитудой.

Чтобы убедиться в этом, фазовый шум можно моделировать путем модуляции тактовых импульсов, поступающих в ЦАП. На рисунке 7 показаны тактовые частоты 5 ГГц ЦАП с фазовой модуляции на частоте 100 кГц. Наверху представлены спектры на частотах 500 МГц и 1 ГГц. Тоны действительно следуют этим отношениям. Снижение на 20 дБ наблюдается от тактовой частоты 5 ГГц до 500 МГц ЦАП, а увеличение на 6 дБ показывает от 500 МГц до выхода 1 ГГц.

Рисунок 7. Фазовый шум фазы синхронизации с фазовой модуляцией 100 кГц

Такой хороший, как хорошо контролируемый эксперимент, представляет интерес реальный шум. Подставляя генератор в широкополосный синтезатор ADF4355, на рисунке 8 показан профиль фазового шума для нового источника синхронизации вместе с соответствующими выходами ЦАП с частотой ½ и ¼ частоты синхронизации. Поведение шума сохраняется с уменьшением на 6 дБ каждый раз. Следует отметить, что PLL не оптимизирован для наилучшего фазового шума. Перцептивные читатели заметят, что некоторое отклонение от ожидания происходит при небольших смещениях, но это ожидается из-за различных исходных источников.

Рисунок 8. Фазовый шум на выходе ЦАП с широковещательным синхронизирующим источником синхронизации

Другим аспектом исследования является отсутствие зависимости между входной мощностью и шумом. Это имеет значение только разница между мощностью шума несущей. Это означает, что прямое усиление часов не дает никакой пользы. На рисунке 9 показано, что это действительно так. Единственное изменение - небольшое увеличение уровня шума, которое приписывается генератору сигналов. Теперь это наблюдение справедливо только в разумных пределах; в определенный момент, синхронизация станет настолько слабой, что другие вклады, такие как шум приемника часов, начнут доминировать.

Рисунок 9. Фазовый шум против входной мощности

Наконец, следует кратко указать новую схему выборки, 2 × NRZ. Серия AD9164 серии DAC вводит этот новый режим выборки, который позволяет получать новые дискретизированные данные как на восходящем, так и на заднем фронтах часов. Однако с этими изменениями характеристика фазового шума остается неизменной. На рисунке 10 сравнивается исходный режим NRZ с этим новым режимом. Кривые показывают одинаковые фазовые шумы, хотя наблюдается некоторое повышение уровня шума. В этом заключении предполагается, что характеристики шума одинаковы как на восходящем, так и на заднем фронте, что характерно для большинства осцилляторов.

Рисунок 10. Фазовый шум и 2 × NRZ

Источник питания

Следующая возможная точка входа для шума - через мощность. Все схемы на матрице должны питаться так или иначе, и это дает много способов распространения на выход. Точный механизм зависит от схемы, но ниже показаны несколько возможностей. Выход ЦАП обычно состоит из источников тока с MOS-переключателями для направления тока через положительный или отрицательный вывод (рис. 11). Как видно, источник тока получает свою энергию от внешнего источника, и любой шум будет отражать текущие колебания. Шум может проходить через переключатели на выход, но это объясняет только прямую связь с основной полосой. Чтобы способствовать фазовому шуму, этот шум следует смешивать с несущей частотой. Этот процесс осуществляется с помощью переключающих МОП-транзисторов, которые действуют как сбалансированный микшер. Другой путь для шума - через подтягивающие катушки индуктивности. Они устанавливают смещение постоянного тока от рельса, и любой шум, присутствующий здесь, течет к транзисторам. Такие колебания изменяют их рабочие условия, такие как источник для истощения напряжения и нагрузки источника тока, что приводит к изменениям тока, которые снова смешиваются с радиочастотным сигналом. В общем, любая схема представляет собой вектор для шума питания, который может отображаться как фазовый шум, если переключение способно смешать его с сигналом под рукой.

Рисунок 11. Источник тока ЦАП

Со всеми этими явлениями схемы и микширования он становится довольно громоздким, чтобы моделировать все это поведение. Вместо этого характеристика других аналоговых блоков дает представление. В регуляторах, операционных усилителях и других ИС указывается коэффициент отвода питания. Отклонение подачи измеряет чувствительность нагрузки к изменениям подачи и может использоваться здесь для анализа фазового шума. Вместо отклонения, однако, используется коэффициент модуляции: коэффициент модуляции питания (PSMR). Традиционная мера PSRR по-прежнему может быть полезна в ЦАП в приложениях с полосой частот, но здесь это не представляет интереса. Следующим шагом будет получение данных.

Измерение PSMR требует модуляции направляющей питания, которая находится под следствием. Типичная настройка показана на рисунке 12. Модуляция модуляции получается через схему связи, вставленную между регулятором и нагрузкой, накладывая синусоидный сигнал, который генерируется генератором сигналов. Выход схемы связи контролируется осциллографом, чтобы найти фактическую модуляцию питания. Полученный выход ЦАП подается в анализатор спектра. PSMR рассчитывается по соотношению составляющей переменного тока источника, найденного от осциллографа, до модулированного напряжения боковой полосы вокруг несущей.

Рисунок 12. Измерение PSMR

Возможны различные схемы связи. Роб Ридер (Rob Reeder), инженер приложений Analog Devices, дает краткое изложение использования LC-схем для измерения PSMR АЦП в примечании к приложению MS-2210. Другие варианты включают мощный операционный усилитель, трансформатор или выделенный модулированный источник питания. Используемый здесь метод был трансформатором. Для снижения импеданса источника генератора сигнала рекомендуется использовать коэффициент высоких оборотов. Типичное измерение представлено на рисунке 14.

Используя трансформатор тока и генератор токов в соотношении 1: 100, источник питания 1, 2 В был модулирован с частотой 500 кГц с результирующим пиковым пиком напряжения 38 мВ. ЦАП был синхронизирован с частотой 5 ГПС. Результирующий выход набирает боковые полосы на полномасштабной несущей 1 ГГц при -35 дБм. Преобразование мощности в напряжение и последующее соотношение с модулированным напряжением питания приводят к PSMR -11 дБ.

Рисунок 13. Модуляция синхронизации часов

Рисунок 14. Модулированные боковые полосы

При выполнении одной точки данных развертка может выполняться на нескольких частотах. Тем не менее, ЦАП AD9164 включает в себя в общей сложности восемь расходных материалов. Один из вариантов - измерить все расходные материалы, но фокус может быть ограничен самыми чувствительными источниками: AVDD12, AVDD25, VDDC12 и VNEG12. Некоторые материалы, такие как SERDES, не имеют отношения к этому анализу и поэтому не включены. Результаты, полученные с помощью нескольких частот и расходных материалов, приведены на рисунке 15.

Рисунок 15. Поставка PSMR, измеренная по измеренным колебаниям

Поставка часов - самая чувствительная направляющая. Негабаритные аналоговые источники питания 1, 2 В и 2, 5 В следующие, а затем 1, 2 В аналоговое питание, которое нечувствительно. В то время как аналоговая подача 1, 2 В могла, с надлежащим учетом, поставляться с помощью переключающего регулятора, поставка часов находится на полном противоположном спектре: для обеспечения оптимальной производительности он должен быть снабжен очень малошумящими LDO.

PSMR можно было измерять только в определенном диапазоне частот. На нижнем конце он ограничен ослаблением магнитной связи. Выбранный трансформатор имел низкочастотное обрезание в 10 с кГц. На верхнем конце разъединительные колпачки уменьшают сопротивление нагрузки, что затрудняет работу рельса питания. Некоторые кепки могут быть удалены для целей тестирования, если функциональность не скомпрометирована.

Перед использованием PSMR следует отметить несколько аспектов. В отличие от PSRR, PSMR зависит от мощности сигнала или, в случае ЦАП, цифрового отжима. Чем ниже сигнал, тем ниже боковая полоса становится в соотношении 1: 1. Однако откат не получает ничего конструктора, поскольку боковая полоса является постоянной по отношению к несущей. Второй аспект - зависимость от несущей частоты. Размах носителя показывает линейную деградацию в более высоких полосах с разной скоростью. Интересно, что чем более чувствителен рельс, тем круче склона. Например, подача часов наклонена на -6, 4 дБ / октава, тогда как отрицательная аналоговая подача составляет -4, 5 дБ / октаву. Частота дискретизации также влияет на PSMR. Наконец, PSMR обеспечивает только верхний предел вклада фазового шума, поскольку он не отличается от амплитудного шума, который также создается.

Рисунок 16. Подача PSMR по частоте сигнала

Учитывая эти разнообразные требования к шуму, полезно взглянуть на несколько вариантов питания. LDO - проверенный и надежный регулятор, особенно для достижения максимальной производительности шума. Однако ни один LDO не сделает. Кривая 15002C на рисунке 17 демонстрирует фазовый шум начальной платы AD9162 DAC. Выход ЦАП был установлен на 3, 6 ГГц, при этом ЦАП синхронизировался на частоте 4 ГГц от источника Венцеля. Предполагалось, что на фазовом шумовом уровне между 1 кГц и 100 кГц доминирует шум питания таймера: ADP1740 LDO. Используя графики спектрального шума LDO и измерения DAC PSMR на рисунке 16, вклад можно рассчитать и построить, как показано на рисунке 17. Несмотря на то, что он не точно выстраивается в линию из-за экстраполяции, расчетные точки выстраиваются в разумный размер для измеренного шума, затвердевая эффекты подачи часов на шум. В редизайне энергетического решения этот LDO был заменен более низким уровнем шума ADP1761. Шум был снижен на 10 дБ при определенных смещениях, приближаясь к такту (15002D).

Рисунок 17. Звуковые сигналы оценки AD9162

Мало того, что шум варьируется в широких пределах от разных регуляторов, на него также могут влиять выходные конденсаторы, выходное напряжение и нагрузка. Следует учитывать тщательный учет этих факторов, особенно на чувствительных рельсах. С другой стороны, в зависимости от общих требований к системе, LDO необязательно требуются.

Коммутационные регуляторы могут обеспечивать питание соответствующей фильтрацией LC, что упрощает решение по мощности. Как и в случае с LDO, начните с регулятора NSD и соответствующим образом создайте. Однако с LC-фильтрами следует обратить внимание на резонанс серии. Мало того, что переходные процессы становятся неустойчивыми, но может возникать усиление напряжения вблизи резонансной частоты, увеличивая шум шины питания наряду с фазовым шумом. Резонанс можно укротить путем де-Q-схемы, т. Е. Добавления элементов потерь в схему. На следующих рисунках показан пример из другого дизайна с цифровым ЦАП AD9162.

В этом дизайне питание часов также отключилось от LDAP ADP1740, но после него последовал LC-фильтр. На схеме показан рассматриваемый фильтр с моделью RL для индуктора и модель RC для основного фильтра-конденсатора (C1 + R1). Отклик фильтра показан с характерным резонансом в красном на рисунке 20. Не удивительно, что контрольные признаки этого фильтра проявляются в реакции фазового шума: синяя кривая на рис. 21. Планировка шума около 100 кГц и крутое падение после этого после фильтрации. К счастью, пик LC-фильтра не является достаточно сильным, чтобы вызвать отличный пик, но фильтр, тем не менее, может быть улучшен. Одна из схем, которая используется здесь, заключается в добавлении второго, большего колпачка с соответствующим последовательным сопротивлением для рассеивания энергии. Показана последовательная схема конденсатора 22 мкФ и резистор 100 мОм, что значительно снижает эффект отклика (синяя кривая). Конечным результатом является улучшение фазового шума вокруг этого смещения частоты: желтая кривая на рисунке 21.

Рисунок 18. LC-фильтр и сеть de-Q

Рисунок 19. Ответ LC фильтра

Рисунок 20. Ответ фазового шума

Конечным источником шума для анализа является фазовый шум самой части. Серия AD9164 DAC отличается очень низким фазовым шумом, что затрудняет количественную оценку. Удаляя все ожидаемые источники шума, остаточный шум подается от ЦАП, как показано на рисунке 22. Моделируемый фазовый шум также нанесен на график и хорошо выравнивается с измерением. В некоторых регионах по-прежнему доминирует фазовый шум.

Рисунок 21. Фазовый шум AD9162

Вывод

Столкнувшись со всеми ранее обсуждавшимися источниками шума, дизайнер может стать перегруженным. Искушение заключается в том, чтобы следовать рекомендованному решению; однако этот подход всегда будет субоптимальным для любых конкретных требований к дизайну. Аналогично RF сигнальным целям и прецизионным бюджетам ошибок в процессе проектирования может использоваться бюджет фазового шума. Используя фазовый шум источника синхронизации, результаты PSMR для каждой релейной шины, характеристики шума LDO и настройки ЦАП, можно рассчитать и оптимизировать вклады от шума каждого источника. Пример бюджета показан на рисунке 22. При правильном рассмотрении всех источников фазовый шум может быть проанализирован и управляться, а сигнальная цепь спроектирована в первый раз.

Рисунок 22. Пример бюджета фазового шума

Рекомендации

• Брэннон, Брэд. Замечание по применению AN-756, Sampled Systems и эффекты фазового шума и джиттера. Analog Devices, Inc., 2004.
• Ридер, Роб. «Проектирование блоков питания для высокоскоростного АЦП». Analog Devices, Inc., февраль 2012 г.

Дальнейшее чтение

Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи.

Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.