הקדמה
הנפח הגדל של נתונים שנאספים, מועברים ומאוחסנים בכל תחום, החל מדור 5 (5G) עד יישומים תעשייתיים, הרחיב את גבולות הביצועים של חלק מההתקנים לעיבוד אותות אנלוגיים עד כדי קצב דגימה של ג’יגה דגימות בשנייה. מאחר שקצב החדשנות לא מאט לעולם, הדור הבא של פתרונות האלקטרוניקה יוביל להתכווצות נוספת של נפחי הפתרונות, לעלייה בנצילות ההספק ולדרישה גדולה יותר לביצועי רעש טובים יותר.
אפשר להניח שצריך פשוט להקטין למינימום או לבודד את הרעש המופק במתחמי ההספק השונים – אנלוגי, ספרתי, ספרתי–טורי וקלט–פלט ספרתיים (I/O) – כדי להגיע לביצועים דינמיים אופטימליים, אבל המרדף אחר המינימום המוחלט בנושא רעש יכול להתגלות כנושא למחקר של תפוקה שולית פוחתת. כיצד יכול איש תכנון לדעת מתי ביצועי הרעש של ספק או של ספקים הם מספקים? נקודת התחלה טובה תהיה אם נכמת את הרגישות של ההתקנים, כך שאפשר יהיה להתאים את המוצא הספקטראלי של ספק הכוח אל התחום. ידע הוא כוח: הוא יכול לסייע רבות בתכנון, למשל, על ידי הימנעות משימוש בהנדסה מוגזמת ובכך לחסוך בזמן תכנון.
במאמר זה נסקור את האופן בו אפשר לכמת את הרגישות לרעש של ספק הכוח שיש למעגלי העומס בשרשרת עיבוד האותות, ונבחן את הדרך שבה אפשר לחשב את הרעש המרבי הקביל של ספק כוח. כמו כן, נדון גם בנושא מערכי מדידות. נסיים בכמה אסטרטגיות שמפגישות את רגישות תחום ההספק עם דרישות המציאות של רעש אספקת הכוח. המאמרים הבאים בסדרה זו יתארו בפירוט יתר את הנושא של התאמתן של רשתות אספקת מתח (PDN) באופטימיזציה לממירים מאנלוגי לספרתי (ADC), לממירים מספרתי לאנלוגי (DAC) ולמקמ”שי ת”ר (RF).
הבנת הרגישות של מעגלי העומס לעיבוד אותות לרעש של ספקי הכוח וכימות שלהם
הצעד הראשון בביצוע אופטימיזציה של ספק כוח הוא חקירה של הרגישות האמיתית לרעש המופק על ידי ספק הכוח של ההתקנים לעיבוד אותות אנלוגיים. בכך נכללת הבנת ההשפעות של רעש ספק הכוח על המפרטים החשובים של הביצועים הדינמיים ואפיון של הרגישות לרעש ספק הכוח – כלומר יחס אפנון ספק הכוח (PSMR) ויחס דחיית ספק הכוח (PSRR).
היחסים PSMR ו–PSRR הם מאפיינים טובים לדחיית ספק הכוח, אך כשלעצמם, אין די בהם כדי לקבוע עד כמה צריכות להיות האדוות (ripple). מאמר זה מדגים את האופן שבו יש לקבוע את סף טולראנס (אפיצות) האדוות או את הרעש המרבי המותר במתח האספקה באמצעות יחס PSMR ויחס PSRR. התאמת ערך סף זה למוצא הספקטראלי של ספק הכוח הוא הבסיס לתכנון של מערכת אספקת כוח מותאמת באופטימיזציה. ספק כוח מותאם באופטימיזציה לא יפגע בביצועים הדינמיים של כל התקן עיבוד אותות אנלוגי, אם הרעש של ספק הכוח יישאר מתחת לסף המפרט המרבי.
ההשפעות של רעש ספק הכוח על התקני עיבוד אותות אנלוגיים
בואו ונבין את ההשפעות של רעש ספק הכוח על התקני עיבוד אותות אנלוגיים. אפשר לכמת את ההשפעות האלו בשלושה פרמטרים שאותם אפשר למדוד:
> טווח דינמי ללא היענות לאות שווא (Spurious free) (SFDR)
> יחס אות לרעש (SNR)
> רעש מופע (PN)
הבנת ההשפעות של הרעש מספק הכוח על פרמטרים אלו היא הצעד הראשון לאופטימיזציה של מפרט הרעש של ספק הכוח.
טווח דינמי ללא היענות לאות שווא
את הרעש של ספק הכוח אפשר להצמיד לאות נושא של כל מערכת עיבוד אותות אנלוגיים. מדד אחד הוא SFDR אשר מייצג את האות הקטן ביותר שבו אפשר להבחין מתוך אות הפרעה גדול – במיוחד היחס בין המשרעת של האות הנושא (Carrier Signal) לבין המשרעת הגבוהה ביותר של אות השווא (Spurious Signal) בלי קשר למקום שבו היא מופיעה בספקטרום התדירות, כך ש:
SFDR = טווח דינמי ללא היענות לאות שווא (spur)
אות גל נושא = ערך rms של המשרעת (אמפליטודה) (ערך שיא או הטווח המלא) אות הגל הנושא
אות שווא = ערך rms של משרעת אות השווא הגבוה ביותר בספקטרום התדירות
איור 1. טווח SFDR של הממיר המהיר מאנלוגי לספרתי AD9208 בשימוש עם (a) ספק כוח נקי ועם (b) ספק כוח רועש.
את טווח ה- SFDR אפשר להגדיר ביחס לטווח המלא (dBFS) או ביחס לאות הנושא (dBc). אדוות של ספק כוח עלולות ליצור הפרעות שווא לא רצויות על ידי צימוד לתוך האות הנושא אשר פוגע בטווח SFDR. איור 1 משווה את ביצועי טווח SFDR של ממיר ADC המהיר – AD9208 – כאשר הוא מופעל באמצעות אספקת מתח נקייה לעומת אספקת מתח רועשת. במקרה זה, הרעש המופק על ידי ספק כוח פוגע בטווח SFDR ב- 10 dB בערך, כאשר אדוות של ספק הכוח מופיעות בתדירות של 1 מגה הרץ כאותות שווא שמאופננים עם תדירות האות הנושא במוצא הספקטרום של טרנספורמציית פורייה המהירה (FFT) של ממיר ADC.
יחס אות לרעש (SNR)
בעוד שטווח SFDR תלוי באדוות הגבוהות ביותר בספקטרום התדירות, יחס האות לרעש תלוי בסך כל הרעש בתוך הספקטרום. יחס SNR מגביל את היכולת של מערכת עיבוד אותות אנלוגיים לגלות אותות בעלי משרעת נמוכה ובאופן תיאורטי הוא מוגבל על ידי הרזולוציה של הממיר במערכת. יחס SNR מוגדר באופן מתמטי כיחס שבין רמת אות הנושא לבין סכום כל הרכיבים הספקטרליים של הרעש, למעט חמש ההרמוניות הראשונות והמתח הישר כאשר:
SNR = יחס אות לרעש (dB)
Carrier signal (אות הגל הנושא) = ערך rms של האות הנושא (ערך שיא או הטווח המלא)
Spectral noise (רעש ספקטרלי) = סכום rms של כל הרכיבים הספקטרליים של הרעש למעט חמש ההרמוניות הראשונות
ספק כוח רועש יכול לתרום להקטנה של יחס SNR על ידי יצירת צימוד של אות הגל הנושא והוספה של רכיבי רעש ספקטרליים בספקטרום המוצא. כפי שמוצג באיור 2, יחס האות לרעש של ממיר ADC דגם AD9208 קטן מ- 56.8 dBFS ל- 51.7 dbFS כאשר אדוות ספק הכוח ב- 1 מגה הרץ מפיקות רכיבי רעש ספקטראלי בספקטרום המוצא לפי טנספורם FFT.
רעש מופע (PN)
רעש במופע הוא מדד ליציבות התדר של אות. באופן אידיאלי, מתנד אמור להיות מסוגל להפיק קבוצה מסוימת של תדירויות יציבות במשך פרק זמן מוגדר. עם זאת, בעולם הממשי, קיימות תמיד תנודות בלתי רצויות במשרעת ובמופע (phase – פאזה) של האות. אפשר לראות את התנודות האלו במופע, או ריצוד (jitter) מתפשטות משני צדי האות בספקטרום התדירות.
את הרעש במופע אפשר להגדיר בכמה דרכים. למטרות של מסמך זה רעש במופע מוגדר כרעש מופע בפס צד יחיד (SSB), הגדרה שמשמשת לרוב ובה משתמשים ביחס שבין צפיפות הספק של תדירות היסט של אות הגל הנושא לבין ההספק הכולל של אות הגל הנושא כאשר:
SSB PN = רעש המופע בפס צד יחיד (dBc/Hz)
Sideband power density (צפיפות ההספק בפס צד יחיד) = הספק הרעש לכל רוחב פס של 1 הרץ בתדירות היסט מאות הגל הנושא (וואט להרץ – W/Hz)
Carrier power (הספק הגל הנושא) = ההספק הכולל של הגל הנושא (וואט)
איור 2. יחס אות לרעש (SNR) של הממיר ADC המהיר AD9208 עם (a) ספק כוח שקט
ו- (b) ספק כוח רועש
איור 3. (a) שני ספקי כוח שונים עם הבדלים משמעותיים בתכולה של רעש המוצא.
(b) ביצועי רעש המופע של ADRV9009 כאשר הוא מופעל באמצעות שני ספקי כוח אלו בהתאמה.
במקרה של התקני עיבוד אותות אנלוגיים, הרעש במתח המצטרף לאות השעון של ההתקן דרך מתח ספק הכוח של אות השעון, יוצר רעש במופע, אשר משפיע על יציבות התדר של המתנד המקומי הפנימי (LO). כך מתרחב התחום של תדר המתנד המקומי בספקטרום התדירות, ומגדיל את צפיפות ההספק בתדר ההיסט האמור שבגל הנושא וכתוצאה מגדיל את הרעש במופע.
איור 3 מציג את הביצועים ההשוואתיים של רעש המופע של המקמ”ש (transceiver) ADRV9009 כאשר הוא מופעל על ידי שני ספקי כוח שונים. איור 3a מציג את תחומי ספקטרום הרעש של שני הספקים ואיור 3b מציג את רעש המופע שנוצר. שני ספקי הכוח מבוססים על המייצב
LTM8063 µModule® כאשר מופעל אפנון תדירות בספקטרום מבוזר (SSFM). היתרון של SSFM טמון בכך שהוא משפר את ביצועי הרעש בתדירות המיתוג הבסיסית של הממיר ובהרמוניות שלו על ידי פיזור ההרמוניות. התמורה לשיפור היא שהתדירות של אפנון גל משולש מסוג SSFM מפיקה רעש מתחת ל- 100 קילו הרץ – יש לשים לב שהשיאים מתחילים סביב 2 קילו הרץ.
שימוש בספק הכוח החליפי מוסיף מסנן מעביר נמוכים כדי לדכא רעש גבוה מ- 1 מגה הרץ ואת ADP1764, מעגל שלאחר מייצב מתח עם ניתוק במתח נמוך (LDO) כדי להקטין את רצפת הרעש הכולל, במיוחד מתחת ל- 10 קילו הרץ (ברובו רעש שנוצר מאפנון SSFM). את השיפור הכולל ברעש של ספק הכוח, אשר נוצר בזכות הסינון הנוסף, אפשר לראות באיור 3b בביצועי רעש המופע המשופרים מתחת לתדירות ההיסט של 10 קילו הרץ.
הרגישות של התקני עיבוד אותות אנלוגיים לרעש של ספק הכוח
יחס דחיית ספק הכוח (PSRR) מייצג את היכולת של ההתקן להנחית את הרעש בפין ספק הכוח על פני טווח של תדירויות. באופן כללי, קיימים שני סוגים של יחסי PSRR: יחס PSRR סטטי (מתח ישר) ויחס PSRR דינמי (מתח חילופין). יחס PSRR במתח ישר משמש כדי למדוד את השינוי בהיסט המוצא הנגרם כתוצאה משינויים במתח הישר של ספק הכוח. זו בעיה מזערית, מאחר שמערכות של ספקי כוח אמורות לספק לעומס מתח ישר עם ייצוב מתח טוב. מצד שני, יחס PSRR במתח חילופין מייצג את היכולת של התקן לדחות אותות מתח חילופין באספקת המתח הישר על פני טווח של תדירויות.
יחס PSRR במתח חילופין נקבע על ידי הזרקה של את גל סינוס לפין אספקת המתח של ההתקן וצפייה באות השווא השגוי שמופיע ברצפת הרעש בספקטרום המוצא של הממיר או המקמ”ש בתדירות של הרעש המוזרק (איור 4). יחס PSRR במתח חילופין מוגדר כיחס בין המשרעת הנמדדת של האות המוזרק לבין המשרעת התואמת של אות השווא השגוי בספקטרום המוצא כאשר:
Error spur (אות השווא השגוי) = משרעת אות השווא הנראית בספקטרום המוצא כתוצאה מהאדוות המוזרקות.
Injected ripple (אדוות מוזרקות) = משרעת גל הסינוס המצומדת והנמדדת בפין של האספקה בכניסה.
איור 4. אות שווא שגוי בספקטרום המוצא של התקני עיבוד אותות אנלוגיים שנובע מאדוות
של ספק הכוח.
באיור 5 מוצג תרשים בלוקים של מערך יחס PSRR אופייני. לדוגמה, אות סינוס של 1 מגה הרץ, 13.3 מילי וולט, מצומד באופן פעיל באמצעות ממיר ADC המהיר ל-10 ג’יגה דגימות בשנייה -AD9213 – לקו אספקת המתח האנלוגי של 1.0 וולט. אות שווא שגוי מתאים של 1 מגה הרץ מומר לספרתי יופיע מעל לרצפת הרעש של ממיר ADC בספקטרום של טרנספורם FFT ב- –108 dBFS. אות השווא השגוי של 1 מגה הרץ מומר לספרתי בהספק של –81 dBFS, התואם למתח של 124.8 מיקרו וולט משיא לשיא ביחס לטווח המלא של הכניסה האנלוגית של 1.4 וולט משיא לשיא. החישוב של יחס PSRR למתח חילופין ב-1 מגה הרץ באמצעות נוסחה 4 מפיק תוצאה של 40.5 dB ב-1 מגה הרץ עבור יחס PSRR למתח חילופין. חישוב של יחס PSRR למתח חילופין ב-1 מגה הרץ באמצעות נוסחה 4 מניב תוצאת יחס PSRR למתח חילופין של 40.5 dB ב-1 מגה הרץ. איור 6 מציג את יחס PSRR למתח חילופין של AD9213 עבור קו מתח AVDD של 1.0 וולט.
איור 5. תרשים בלוקים מפושט של מערך בדיקת PSRR/PSMR
איור 6. יחס דחיית ספק כוח של ממיר ADC המהיר AD9213 עבור מתח AVDD של 1.0 וולט
יחס אפנון ספק כוח (PSMR)
יחס PSMR משפיע על התקני עיבוד אותות אנלוגיים באופן שונה מאשר יחס PSRR. היחס PSMR מציג את הרגישות של התקן לרעש של ספק הכוח כאשר מתאפנן עם אות גל נושא בת”ר. את ההשפעה אפשר לראות כאות שווא שגוי מאופנן סביב תדירות הגל הנושא המופעל על ההתקן ומופיע כפס צד של האות הנושא.
אפנון של ספק כוח מושג על ידי שילוב של אות האדוות בכניסה עם מתח ישר נקי באמצעות מעגל הזרקה/ צימוד. אדוות של ספק כוח מוזרקות כאות גל סינוס ממחולל האותות אל פין אספקת המתח. גל הסינוס המאופנן אל תוך הגל הנושא בת”ר יוצר אותות שווא שגויים בפס הצד עם תדירות היסט השווה לתדירות גל הסינוס. העוצמה של אותות השווא השגויים מושפע על ידי משרעת גל הסינוס ועל ידי הרגישות של ההתקן. מערך בדיקה מפושט של יחס PSMR זהה לזה של יחס PSRR כפי שמוצג באיור 5, ואולם תצוגת המוצא ממוקדת בתדירות הגל הנושא ובאותות השווא השגויים בפס הצד כפי שנראה באיור 7. יחס PSMR מוגדר כיחס בין משרעת האדוות המוזרקות של ספק הכוח לבין המשרעת של אות השווא השגוי המאופנן בפס הצד סביב הגל הנושא כאשר:
Modulated Spur (אות השווא השגוי המאופנן) = משרעת אות השווא השגוי בפס הצד של תדירות הגל הנושא שנגרמה כתוצאה מהאדוות המוזרקות
Injected ripple (אדוות מוזרקות) = המשרעת של גל סינוס מצומד ונמדד בפין אספקה המתח בכניסה
איור 7. אותות שווא שגויים שנגרמו כתוצאה מאדוות במתח האספקה, מאופננים בפס הצד באות הגל הנושא.
ניקח לדוגמה ממיר ADC מהיר ל-12.6 ג’יגה דגימות בשנייה – AD9175 – שפועל עם אות גל נושא
ל- 100 מגה הרץ, ועם אדוות של 10 מגה הרץ של כ- 3.05 מילי וולט שיא לשיא באספקת הכוח עם צימוד פעיל בקו האספקה AVDD של 1.0 וולט. אות שווא שגוי מאופנן תואם של 24.6 מיקרו וולט משיא לשיא מופיע בפס הצד של אות הגל הנושא עם היסט זהה לתדירות אדוות ספק הכוח של 10 מגה הרץ בערך. חישוב של יחס PSMR ב- 10 מגה הרץ באמצעות משוואה 5 מניב תוצאה של
41.9 dB. איור 8 מציג את יחס PSMR בקו אספקת AVDD של 1.0 וולט של AD9175 עבור ערוץ DAC0 בתדירויות שונות של הגל הנושא.
איור 8. יחס PSMR בקו אספקת AVDD של 1.0 וולט של ממיר DAC המהיר AD9175 (ערוץ DAC0)
קביעת האדוות המרביות המותרות באספקת המתח
את יחס PSMR אפשר לשלב עם סף מתח הייחוס של ההתקן המופעל במתח, כדי לקבוע את אדוות המתח המרביות המותרות בכל אחד מהתחומים של ספק הכוח של התקן עיבוד אותות אנלוגיים. סף הייחוס עצמו יכול להיות אחד מבין הערכים המייצגים את רמת אות השווא המותרת (כפי שנגרם על ידי אדוות ספק הכוח) אשר אותה ההתקן יכול לספוג מבלי שהביצועים הדינמיים שלו יושפעו באופן משמעותי. רמה זו של אות השווא יכולה להיות הטווח הדינמי ללא היענות לאות שווא (SFDR), אחוזי הסיבית המשמעותית הנמוכה (LSB), או רצפת הרעש בספקטרום המוצא. משוואה 6 מציגה את האדוות המרביות המותרות בכניסה (VR_MAX) כפונקציה של יחס PSMR ושל רצפת הרעש הנמדד של כל אחד מההתקנים כאשר:
VR_MAX = אדוות המתח המרביות המותרות בכל אחד מקווי אספקת המתח לפני שנוצר אות השווא ברצפת הרעש של הספקטרום במוצא
PSMR = הרגישות לרעש של קו אספקת המתח שבו מדובר (ב- dB)
Threshold (סף) = סף הייחוס המוגדר מראש (לעניין מאמר זה רצפת הרעש של ספקטרום המוצא)
לדוגמה, רצפת הרעש של ספקטרום המוצא של AD9175 היא כ-1 מיקרו וולט משיא לשיא. יחס PSMR באדוות של 10 מגה הרץ עבור אות הגל הנושא של 1800 מגה הרץ הוא 20.9 dB בערך. לפי משוואה 6, האדוות המרביות המותרות בפין אספקת המתח של ההתקן שבהן הוא יכול לעמוד, בלי לפגוע בביצועים הדינמיים שלו הן בגודל של 11.1 מיקרו וולט משיא לשיא.
איור 9 מציג את התוצאות המשולבות בספקטרום המוצא של מייצב Silent Switcher® המוריד LT8650S (עם מסנן LC במוצא ובלעדיו) ואת האדוות המרביות המותרות של AD9175 עבור קו אספקה AVDD של 1.0 וולט. הספקטרום במוצא מייצב המתח מכיל אותות שווא בתדירות המיתוג הבסיסית ובהרמוניות שלה. LT8650S אשר מספק מתח ישירות ל- AD9175 מפיק אותות שווא בתדירות המיתוג הבסיסית אשר חורגים מהסף המרבי המותר, והתוצאה היא אותות שווא מאופננים בפס הצד בספקטרום המוצא, כפי שמוצג באיור 10. הוספה של מסנן LC פשוט מקטינה את אותות השווא במיתוג אל מתחת לאדוות המרביות המותרות, כפי שמוצג באיור 11.
איור 9. הספקטרום במוצא של ספק הכוח LT8650S לעומת אדוות המתח המרביות המותרות בפס אספקת המתח AVDD של 1.0 וולט.
איור 10. ספקטרום המוצא DAC0 של AD9175 בתדירות גל נושא של 1800 מגה הרץ כאשר המוצא של ממיר המתח הישר למתח ישר הממתג השקט LT8650 משמש ישירות בקו אספקת המתח AVDD.
איור 11. הספקטרום במוצא DAC0 של AD9175 בתדירות גל נושא של 1800 מגה הרץ כאשר משתמשים בספק הכוח LT8650S עם מסנן LC.
מסקנות
הביצועים הדינמיים המעולים של התקנים מהירים לעיבוד אותות אנלוגיים עלולים להיפגע בקלות כתוצאה מרעש באספקת המתח. יש צורך בהבנה מעמיקה של רגישות שרשרת האותות לרעש מספק הכוח כדי למנוע פגיעה בביצועי המערכת. אפשר להגדיר אותה על ידי קביעת האדוות המרביות המותרות – קביעה שהיא חיונית לתכנון של רשת אספקת המתח (PDN). כאשר הסף המותר של האדוות המרביות ידוע, אפשר ליישם מגוון של גישות לתכנון ספק כוח מותאם באופטימיזציה. שוליים טובים מהסף המותר של האדוות המרביות הם הנחיה שתבטיח שרשת PDN לא תפגע בביצועים הדינמיים של התקנים מהירים לעיבוד אותות אנלוגיים.
