. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Výhody rychlých ADC se vstupním bufferem
11. července 2013 - 9:23 | Pandatron | Výhody rychlých ADC se vstupním bufferem | Komentářů: 2  

Výhody rychlých ADC se vstupním bufferem

Srovnání vlastností a výhod analogově-digitálních převodníků s a bez vstupního bufferu, včetně rozboru náhradního schéma vstupních obvodů.

Jednou z klíčových vlastností rychlých ADC převodníků je linearita a šum získaného vzorku, pod který se podepisuje celý řetězec vstupního obvodu (včetně zesilovače, rychlého přepínače a integrační kapacity). Dobrého výsledku se dosahuje pouze kombinací velké kapacity a rychlého vstupního přepínače. V celé řadě nízkopříkonových, ale vysokorychlostních systémů, se však používají ADC převodníky bez vstupního bufferu a izolace. Jelikož se jedná o konfiguraci, při které jsou vstupní piny přímo spojeny se samplovacím obvodem, je takové uspořádání zdrojem hned několika problémů.

Prvním problémem je ztráta energie přímo ve snímacím obvodu. Kombinace vysoké rychlosti a relativně vysoké kapacity, stojí za velkými energetickými ztrátami. Naštěstí je obvykle s pomocí několika málo pasivních součástek na vstupních pinech ADC možné problém omezit na přijatelnější úroveň. Přesto, že takové řešení vyžaduje určitý prostor na desce a samozřejmě i mírně zvyšuje cenu zařízení, jedná se o jednoduché řešení v případě, kdy ADC nemá integrovaný vstupní buffer. Zároveň je možné snížit spotřebu i celého obvodu, aniž bychom riskovali případné problémy s bateriovým napájením.

Druhým největším problémem, v případě ADC bez vstupního bufferu, je příliš velká snímací kapacita. Vzhledem k tomu, že šum se rovná hodnotě kT/C, je velká kapacita přínosem právě pro dosažení nízkého šumu a vysoké hodnoty SNR. Při vysoké frekvenci vstupního signálu však představuje nízkou impedanci a tedy i nižší citlivost. Ta pak od obvodu vyžaduje vyšší vstupní proud a stojí i za zvýšenou spotřebou celého systému, což je ovšem jediná možnost dosažení celé šířky pásma.

Vstupní buffer není do ADC integrován především z důvodu úspory energie, uvedené v konkrétním datasheetu, ovšem mnohem více ji pak ztrácíme v přídavných obvodech. Je tedy jasné, že integrace vstupního bufferu je z tohoto pohledu velice žádoucí a díky němu je možné realizovat systémy, které využijí plné šířky pásma.

Až do nedávna, integrace vstupního bufferu do nízkopříkonové CMOS technologie vysokorychlostních ADC, znamenala zvýšení odběru, zhoršení SFDR/SNR vlastností a v nejlepším případě dosažení maximálně 12-bitového rozlišení. V té době se ovšem používala technologie, založená na tzv. BJT-designu, kde byl lineární vstupní zesilovač napájen z 5V napětí. Nicméně i v této oblasti došlo v uplynulých letech k výraznému pokroku a dnes jsou k dispozici vstupní vyrovnávací obvody ADC převodníků rovněž s technologií CMOS a provozem při nízkém napájecím napětí.

Pro bližší rozbor problematiky vstupní impedance ošetřeného (ADS61B49) a neošetřeného vstupu (ADS6149) ADC je možné z technické dokumentace získat hodnoty ekvivalentní vstupnímu obvodu. Ty vycházejí z počítačové analýzy a jsou výsledkem transformace parametrů na ekvivalentní hodnoty paralelního RC obvodu na pinech diferenciálního vstupu. Nejčastěji se uvádějí v podobě Smithova grafu a zastupují náhradní schéma obvodu, složené z R-C prvků. Příklad ekvivalentního obvodu, použitého pro vytvoření modelu ADC převodníku, je uveden na obr. 1a a 1b.

Rychlé ADC převodníky se obvykle používají ve spojení s transformátorem, který vstupní signál převádí na diferenciální hodnotu, vhodnou pro zpracování převodníkem. Obvyklá impedance vstupů je přitom typ. 50 ohmů a je tedy použita i pro analýzu obvodů, uvedených na obrázcích 1a a 1b. Hodnota 1:1 u transformátorů značí jejich převodní poměr impedance, který je tak 1:1 a vstupní impedance zde odpovídá výstupní. Jelikož na obr. 1 pracujeme s diferenciálním vstupem, skládá se impedance na straně převodníku ze dvou rezistorů v hodnotě 2 x 25 ohmů, které tvoří celkovou impedanční zátěž 50 ohmů. Nicméně je vidět, že se na náhradních schématech, kromě očekávané impedanční zátěže, nachází i několik dalších pasivních prvků, které nám systém dále zatěžují. Vstupní piny ADC na obr. 1a jsou navíc zatíženy diferenciálním filtrem, který způsobuje omezení nežádoucích vysokofrekvenčních signálů, které mají jinak schopnost proniknout až do vstupních pinů převodníku. Zde v lepším případě ovlivňují měřený výsledek a svou hodnotu k němu přičítají, v horším případě pak mohou samozřejmě vést až k poškození celého čipu.


Obr. 1a: Náhradní schéma vstupního obvodu klasického ADC


Obr. 1b: Náhradní schéma obvodu v případě ADC s bufferem na vstupu

A high-impedance buffered input provides improved insertion loss because the voltage standing wave ratio (VSWR) is maintained closer to the ideal of 1.0 as input frequency increases. VSWR is a measure of how much of the signal is transferred to the load (the ADC) versus reflected back to the source due to impedance mismatch. At low frequency, the benefit is not as substantial, but becomes more so at higher frequency. The buffered ADC input impedance is so much higher than the target of 50? that it barely interacts as a parallel circuit. The bigger the difference between the ADC impedance and the intended load seen by the source, the more control one has to set that impedance on the board.

Vstupní buffer s velkou vstupní pomáhá minimalizovat ztráty a poskytuje obvodu i lepší vložený útlum, neboť poměr stojatých vln (hodnota PSV) se udržuje v blízkosti ideální hodnoty 1,0 a to i v případě nárůstu frekvence vstupního signálu. PSV je především v případě vysokých frekvencí dobrým ukazatelem toho, jak velký signál přejde do vstupních pinů ADC a kolik se ho vlivem nepřizpůsobené impedance odrazí zpět ke zdroji. Na signálu s nízkou frekvencí není rozdílná impedance tak podstatná a projevuje se především na vyšších frekvencích. V případe ADC se vstupním bufferem je impedance na jeho pinech mnohem vyšší, než 50 ohmů převodního transformátoru, takže paralelní obvod jeho parazitních prvků vstupní obvody téměř neovlivní. Pouze musíme mít na paměti skutečnost, že čím větší je rozdíl mezi impedancí vstupu ADC a zdrojem signálu, tím větší převod je v obvodu vytvořen a je s ním třeba počítat.

Oba obvody z obr. 1 byly použity analýzu z pohledu hodnoty VSWR a to až do vstupní frekvence 500 MHz. Získané výsledky reprezentují průběh degradace signálu, viz obr. 2.


Obr. 2: Výsledek analýzy vloženého útlumu

V praktických aplikacích existuje několik technik, kterými lze dostupnost vstupního bufferu využit například pro snížení útlumu 50 ohmech s převodním poměrem transformátoru 1:1. Pokud využijeme transformátor s převodním poměrem 1:2, získáme rázem jednoduchým pasivním obvodem napěťový zisk v hodnotě až 6 dB. Nicméně převod impedance s poměrem 1:4 vyžaduje zároveň ošetření na straně ADC převodníku a vhodné zpracování 200 ohmové impedance v případě, že zdroj signálu pracuje s impedancí 50 ohmů. Dosažení této impedance bez vstupního bufferu je obtížné, ale zároveň je možné na konkrétním kmitočtu dosáhnout požadované impedance, tedy například přesně 200 ohmů. Samozřejmě v případě, kdy se v obvodu počítá s paralelně konfigurovaným vstupním odporem. V případě širokopásmových systémů však dostaneme vyšší impedanci (než je nominální) na nižších kmitočtech a naopak výrazně nižší impedanci v kmitočtovém pásmu nad ním. Změna impedance s obvody bez vstupního bufferu tedy není vhodné pro širokopásmové aplikace, neboť vlivem kmitočtové závislosti vstupního obvodu v nich dochází k velkému poklesu v amplitudě signálu. Mnohem praktičtější je použití transformátoru s převodovým poměrem 1:2, kterým se částečně kompenzuje vstupní impedance, nebo jejich použití výhradně v aplikacích pro úzké frekvenční pásmo.

Některé komunikační aplikace, jako jsou například mobilní systémy LTE a WiMAX, mají šířku pásma i více než 20 MHz. Lineární oblast, použitého výkonového zesilovače, vhodného pro tento typ aplikací, musí mít šířku pásma vyšší než 100 MHz. To je především z důvodu omezení harmonického zkreslení z předchozích obvodů signálového řetězce. Je tedy jasné, že pro zachycení celé šířky pásma je nutné použít ADC s minimálně 250 MS/s, jinak není možné zajistit dobrý výkon i v oblasti nad první Nyquistovou zónou (> 125 MHz pro 250 MS/s). Zde samozřejmě vstupní impedance poměrně rychle klesá a nejlepším řešením je právě použití obvodu s integrovaným vstupním bufferem.

Autor:
Philip Pratt, produktový inženýr rychlých datových převodníků, Texas Instruments

Philip M. Pratt je zaměstnán na pozici Inženýr produktového marketingu pro vysokorychlostní datové převodníky, ve společnosti Texas Instruments. Na Tennesseeské univerzitě v Knoxville získal titul BSEE a rovněž je držitelem MSEE z Technologického institutu na Floridě, Melbourne.

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Přehled distributorů
Informace o obvodech ADS61B49
Informace o obvodech ADS6149







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (2):

Zobrazit starší 30 dnů (2)...

host
2. Dne 20. 04. 2011 v 15:19 zaslal host
Bez titulku
pěkný článek :-)


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Anténa 2J010 - 900/1800/2400MHz
Anténa 900/1800/2400MHz, 90° s konektorem SMA
Skladem od 83 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007