Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015
Qui Luu, Analog Devices
Analog Dialogue
Анализ
Графики дают неоценимую информацию о чувствительности каждого вывода питания. Хуже всего подавляются пульсации питания на внутренней шине VPOS_PLL, поэтому она наиболее чувствительно к помехам. К этой шине подключена схема ФАПЧ, включая вход опорной частоты, фазочастотный детектор и зарядовый насос. Эти чувствительные функциональные блоки определяют точность и фазовые характеристики сигнала гетеродина, поэтому любые связанные с ними шумы проникают прямо на выход.
Основываясь на аналогичных рассуждениях, можно утверждать, что источник питания ГУН также является критически важным узлом. Графики показывают, что на внутреннем выводе VPOS_VCO пульсации питания подавляются намного лучше, чем на VPOS_PLL. Это объясняется наличием внутреннего LDO регулятора в цепи питания ГУН. LDO регулятор изолирует ГУН от шумов на внешнем выводе, а также поддерживает в нем фиксированную спектральную плотность шума. Источник питания схемы ФАПЧ не имеет регулятора, что делает шину его питания самой чувствительной к помехам. Таким образом, его изоляция от возможного проникновения шумов имеет критическое значение для достижения оптимальных характеристик.
Фильтр петли ФАПЧ ослабляет высокие частоты CW, поэтому устойчивость VPOS_PLL к шумам, достаточно плохая на низких частотах, постепенно улучшается по мере увеличения частоты от 30 кГц до 1 ГГц. На более высоких частотах амплитуды интерференционных продуктов начинают ослабляться фильтром, и уровень мощности, проникающей в схему ФАПЧ, существенно снижается. Таким образом, на высоких частотах коэффициент подавления пульсаций питания VPOS_PLL лучше, чем у остальных блоков микросхемы. На Рисунке 8 показана схема фильтра ФАПЧ, номиналы компонентов которой рассчитаны на частоту 20 кГц.
 |
|
| Рисунок 8. | Фильтр ФАПЧ для полосы пропускания 20 кГц. |
Список внутренних шин питания, расположенных по убыванию степени их восприимчивости к шумам, выглядит так: VPOS_PLL, VPOS_LO2, VPOS_VCO, VPOS_LO1, VPOS_DIG, VPMX и VPRF.
Конструкция источника питания
Досконально разобравшись с максимальной мощностью, потребляемой микросхемой ADRF6820 в различных режимах ее работы, а также в чувствительности ее шин питания к шумам, можно приступать к конструированию системы управления питанием, используя как импульсные, так и LDO регуляторы напряжения, чтобы определить целесообразность тех или иных решений. Прежде всего, напряжение 6 В входного источника с помощью стабилизаторов понижается до 5 В и 3.3 В, необходимых шинам питания ADRF6820. Схема 5-вольтового источника для шин VPMX и VPRF изображена на Рисунке 9. Максимальный выходной ток КМОП LDO стабилизатора ADP7104 равен 500 мА. Понижающий импульсный преобразователь ADP2370 с низким собственным током потребления может работать на частотах 1.2 МГц или 600 кГц. Выходное напряжение импульсного преобразователя требует дополнительной фильтрации для ослабления шумов переключения. ADP2370 может отдавать в нагрузку ток до 800 мА. Для питания 5-вольтовой шины ADRF6820 можно использовать как ADP7104, так и ADP2370. К каждому выводу подключаются дополнительные элементы развязки и фильтрации.
 |
|
| Рисунок 9. | Схема источника питания 5 В. |
На Рисунке 10 представлена схема источника питания 3.3 В. Входное напряжение невелико, и равно всего 6.0 В, но, тем не менее, прежде чем попасть на стабилизаторы 3.3 В, оно понижается до промежуточного значения дополнительным LDO регулятором. Дополнительный каскад необходим для того, чтобы уменьшить потери мощности, поскольку при прямом подключении напряжения 6 В к стабилизаторам 3.3 В их максимальный КПД составил бы лишь 55%. Промежуточный каскад после импульсного регулятора не нужен, так как архитектура ШИМ сама по себе минимизирует потери мощности.
 |
|
| Рисунок 10. | Схема источника питания 3.3 В. |
Напряжение 3.3 В давало больше простора для экспериментов. Помимо входного импульсного или LDO стабилизатора 3.3 В шина VPOS_ PLL имеет дополнительный LDO стабилизатор, а VPOS_DIG – изолированный LDO стабилизатор, который может быть подключен установкой соответствующих битов в конфигурационном регистре. Ввиду особой чувствительности схемы ФАПЧ были испробованы три варианта ее питания, различавшихся, прежде всего, уровнями шумов на выходах используемых микросхем:
- сверхмалошумящий КМОП LDO регулятор ADP151 с напряжением выходного шума 9 мкВ с.к.з.,
- малошумящий КМОП LDO регулятор ADP7104 с напряжением выходного шума 15 мкВ с.к.з.,
- понижающий преобразователь ADP2370.
Мы поставили перед собой задачу определить наибольший уровень помех на шине питания, при котором фазовые шумы еще не превышают требуемых значений. Так ли уж важно, чтобы LDO имел сверхвысокие параметры и сверхнизкие шумы?
Чтобы узнать, в какой степени цифровые шумы могут влиять на характеристики АЦП, на шине VPOS_DIG был также испытан малошумящий КМОП LDO регулятор ADP121 с выходным напряжением 3.3 В. Из-за помех от интерфейса SPI шина цифрового питания, как правило, бывает более зашумленной, чем аналоговые. Мы хотим понять, требуется ли цифровому питанию 3.3 В собственный LDO регулятор, или его можно подключить непосредственно к источнику аналогового питания. ADP121 был выбран как один из наиболее дешевых вариантов.
Выводы и рекомендации по конструированию источника питания
 |
|
| Рисунок 11. | Интегрированный фазовый шум при использовании ADP151 и ADP7104. |
Для VPOS_PLL, самой чувствительной шины питания, простой LDO регулятор ADP151 обеспечивает такой же уровень фазовых шумов, как и намного более качественный малошумящий прибор ADP7104 (Рисунок 11). Однако при использовании импульсного преобразователя ADP2370, как видно из Рисунка 12, характеристики ухудшаются. Локальный всплеск уровня шумов связан с работой импульсного преобразователя и может наблюдаться на его выходе (Рисунок 13). Таким образом, если напряжение шумов на шине VPOS_PLL не превышает 15 мкВ с.к.з., увеличения уровня интегрированных фазовых шумов не происходит, но использовать для питания этого вывода импульсный стабилизатор нельзя. Замена LDO регулятора прибором с более высокими характеристиками и меньшими шумами никакого выигрыша не дает.
 |
|
| Рисунок 12. | Интегрированный фазовый шум при использовании ADP151 и ADP2370. |
 |
|
| Рисунок 13. | Спектр выходного сигнала микросхемы ADP2370. |
Хороший уровень фазовых шумов можно обеспечить при питании оставшихся шин как импульсными, так и LDO регуляторами (Рисунок 14). Входы 5-вольтового питания VMPX и VPRF можно соединить вместе и подключить их к одному источнику питания. Точно так же, VPOS_LO1, VPOS_LO2 и VPOS_VCO можно соединить и подключить к источнику 3.3 В. Для вывода VPOS_DIG отдельный LDO регулятор не требуется, и его можно подключить к шине аналогового питания 3.3 В.
 |
|
| Рисунок 14. | Сравнение шумов, создаваемых импульсным и LDO стабилизаторами напряжения. |
Если входное напряжение системы равно 6 В, можно рекомендовать схему источника питания, изображенную на Рисунке 15, в которой используются LDO стабилизаторы ADP7104 с фиксированными выходными напряжениями 5.0 В и 3.3 В. В этом решении применяются только LDO регуляторы, поскольку напряжение источника близко к требуемым напряжениям питания. Эффективность использования мощности здесь вполне приемлемая, поэтому дополнительные затраты на компоненты фильтров будут излишними.
 |
|
| Рисунок 15. | Рекомендуемая схема источника питания при входном напряжении 6 В. |
Для входного напряжения 12 В рекомендуется показанная на Рисунке 16 схема источника питания с двумя импульсными преобразователями и одним LDO. В данном случае напряжение источника существенно превосходит требуемые напряжения питания, поэтому для улучшения КПД схемы необходимо использовать импульсные преобразователи. Все контакты питания, за исключением чувствительного вывода VPOS_PLL, можно подключить к импульсным стабилизаторам. Для питания вывода VPOS_PLL можно использовать микросхемы ADP7104 или ADP151.
 |
|
| Рисунок 16. | Рекомендуемая схема источника питания при входном напряжении 12 В. |
Ссылки
- Circuit Note CN0147. Powering a Fractional-N Voltage-Controlled Oscillator (VCO) with Low Noise LDO Regulators for Reduced Phase Noise. Analog Devices, Inc., 2010.
- Collins, Ian. Integrated PLLs and VCOs [Part 2]. Radio-Electronics.com, Nov 2010.
Купить ADL5380 на РадиоЛоцман.Цены
