РадиоЛоцман - Все об электронике

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии

Analog Devices AD9625 AD9680

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2015

Umesh Jayamohan, Analog Devices

Analog Dialogue

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

Введение

Конструкция входного каскада любого высокопроизводительного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а в особенности АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала, имеет определяющее значение для достижения требуемых характеристик системы. Во многих случаях полоса частот сигналов, преобразуемых такими АЦП, составляет сотни мегагерц. В зависимости от требований к системе, входной каскад может быть как активным (при использовании усилителя), так и пассивным (при использовании обычных или симметрирующих трансформаторов). В любом случае для того, чтобы обеспечить оптимальные характеристики АЦП в требуемой полосе частот, требуется очень тщательный подбор всех компонентов.

АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала изготовлены по субмикронной КМОП технологии, а физика полупроводников говорит нам, что более миниатюрные транзисторы выдерживают меньшие напряжения. Поэтому в спецификации указываются максимально допустимые напряжения, превышение которых приводит к снижению надежности микросхемы. Сравнение спецификаций более старых устройств с новейшими АЦП прямой дискретизации показывает, что эти напряжения стали ниже.

Проектируя приемные устройства, где АЦП оцифровывает непосредственно входной сигнал, особое внимание разработчик должен обращать на максимально допустимое входное напряжение. Этот параметр непосредственно влияет на долговременные характеристики и надежность устройства. Ненадежный АЦП сделает бесполезной всю радиосистему, а стоимость его замены может быть весьма существенной.

Для защиты от чрезмерных напряжений в АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала включают схемы определения порогов, позволяющие приемнику компенсировать высокое напряжение с помощью петли автоматической регулировки усиления (АРУ). Однако конвейерным АЦП в связи с особенностями их архитектуры присущи задержки, следствием которых могут быть кратковременные воздействия на их входы высоких уровней сигнала, потенциально способных повредить микросхему. В данной статье обсуждается простой метод позволяющий усовершенствовать схему АРУ для защиты АЦП.

Входные архитектуры АЦП

АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала могут иметь различную конструкцию. Наиболее распространенной является конвейерная архитектура. В конвейерных АЦП аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, последовательно проходя через несколько каскадов. Первый каскад, самый важный, может иметь входной буфер, или не иметь. Выбор используемого варианта определяется совокупностью конструктивных требований и поставленных задач. Например, буферизованный АЦП обычно позволяет получить более широкий динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) в полосе частот, однако потребляет больше энергии, чем АЦП без буферного усилителя.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 1. Эквивалентная схема входной цепи небуферизованного
АЦП прямой дискретизации.

Схема предварительной обработки входного сигнала также будет зависеть от того, имеется ли буфер у АЦП, или нет. Для небуферизованных АЦП необходимы дополнительные последовательные резисторы, поглощающие обратный выброс заряда, а также улучшающие характеристики SFDR. На Рисунках 1 и 2 показаны упрощенные эквивалентные схемы АЦП прямой дискретизации без буферного усилителя (AD9625) и с усилителем (AD9680). Для простоты понимания показаны только несимметричные входы.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 2. Эквивалентная схема входной цепи буферизованного
АЦП прямой дискретизации.

Независимо от архитектуры, максимальное допустимое напряжение на входах АЦП определяется напряжением, которое способны выдержать MOSFET. Буферизованные входы сложнее и рассеивают больше мощности, чем небуферизованные. В АЦП используют несколько различных типов буферов, наиболее распространенным из которых является истоковый повторитель.

Механизмы отказов

Механизмы отказов для буферизованных и небуферизованных АЦП будут отличаться, но обычно отказы происходят, когда превышено максимально допустимое напряжение затвор-исток (VGS) или напряжение сток-исток (VDS) входных транзисторов. Эти напряжения показаны на Рисунке 3.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии

Рисунок 3. Критические напряжения
для МОП-транзистора.

Например, превышение максимально допустимого значения VDS вызывает пробой, происходящий обычно тогда, когда MOSFET находится в выключенном состоянии. Если же максимальное допустимое значение превышает VGS, происходит смыкание областей затвора и истока, известное также как пробой оксидного слоя. Обычно это происходит, когда MOSFET включен.

Механизм отказов в небуферизованных АЦП

На Рисунке 4 показан вход небуферизованного АЦП. Процесс выборки управляется противофазными тактовыми сигналами Ф и Ф, которые являются сигналом выборки/хранения для MOSFET M1 и сигналом сброса для MOSFET M2. Когда М1 открыт, М2 закрыт, и конденсатор CSW отслеживает сигнал (режим выборки или слежения). Когда М1 закрыт, М2 открывается после команды на сброс конденсатора CSW, поступающей от компараторов внутренних блоков MDAC. Это действие подготавливает конденсатор к приему следующей выборки в соответствующей фазе тактового сигнала. Подобная схема работает, как хорошо смазанный механизм.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 4. Режим отказа в небуферизируемом АЦП.

Однако высокие напряжения на входе создают на схеме перепады напряжения, уровни которых превышают максимально допустимое напряжение сток-исток транзисторного ключа M2. При выборке высокого входного напряжения (M1 открыт, М2 закрыт) недопустимый уровень VDS перегружает ключ М2. При этом ключ М2 выключен в течение менее чем половины длительности сигнала выборки, но даже это непродолжительное переходное состояние может ухудшить надежность схемы и с течением времени вывести АЦП из строя. В режиме сброса (М1 закрыт, М2 открыт) перегрузку по уровню VDS испытывает транзистор M1 при наличии входного сигнала на его стоке.

Механизм отказов в АЦП с буфером

На Рисунке 5 показан вход буферизованного АЦП. Для выборки и сброса используется одна и та же цепь синхронизации. При высоком напряжении на затворе буфера M3 в схеме, независимо от фазы управления, возникают токи I1 и I2. Источником тока I1 является p-канальный МОП-транзистор, в то время как ток I2 генерируется n-канальным МОП-транзистором. Высокое напряжение на затворе транзистора M3 приведет к чрезмерному росту напряжений VDS у обоих транзисторов. Кроме того, высокое напряжение на затворе М3 может привести к пробою его оксидной изоляции.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 5. Режим отказа в АЦП с буфером.

Механизмы возникновения отказов различны для буферизованных и небуферизованных АЦП, что объясняется различиями в величинах предельно допустимых входных напряжений (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Предельные режимы для буферизованных и небуферизованых АЦП.
АЦП
Технология
изготовления
(нм)
Архитектура
входной цепи
Максимально
допустимое
входное
напряжение (В)
Дифференциальная
амплитуда
(В пик-пик)
14-бит, 105 млн.
выборок в секунду
350
Буферизованный
7.0
9.2
14- бит, 125 млн.
выборок в секунду
180
Небуферизованный
2.0
4.5
16- бит 250 млн.
выборок в секунду
180
Буферизованный
3.6
6.0
12- бит 2.5 млрд.
выборок в секунду
65
Небуферизованный
1.52
4.0
14-бит 1.0 млрд.
выборок в секунду
65
Буферизованный
3.2
4.6

Защита входов АЦП с использованием TVS-диодов

Защитить входы АЦП от высоких напряжений можно несколькими способами. Некоторые АЦП, включая, в частности, АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала, имеют встроенные схемы, обнаруживающие появление входных напряжений, превышающих запрограммированные пороги, и сообщают об этом соответствующими выходными сигналами. Однако эти сигналы вырабатываются с некоторой задержкой, всегда указываемой в технической документации, вследствие которой входы АЦП на короткое время остаются незащищенными.

Избыточное входное напряжение может быть ограничено с помощью TVS-диодов (супрессоров), однако они могут оказывать отрицательное влияние на параметры АЦП в нормальном режиме его работы. На Рисунке 6 показана схема, в которой для защиты от перенапряжения используются супрессоры.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 6. Защита схемы предварительной обработки входного
сигнала АЦП с помощью TVS-диода.

Хотя супрессоры и защищают входы АЦП, ограничивая напряжения на безопасном уровне, они серьезно ухудшают гармонический состав входного сигнала преобразователя. На Рисунке 7 сравниваются результаты быстрого преобразования Фурье от входного сигнала 14-битного АЦП, работающего со скоростью 250 млн. выборок в секунду при уровне сигнала –1 дБ относительно полной шкалы и частоте 30 МГц. Верхняя диаграмма получена при отсутствии супрессора на входе предварительного каскада, а нижняя – с подключенным супрессором.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 7. Сравнение результатов быстрого преобразования Фурье от
входного сигнала АЦП при отсутствии защитного TVS-диода
(сверху) и при подключенном диоде (снизу).

Особенно сильно TVS-диоды влияют на уровень нечетных гармоник, поскольку в закрытом состоянии они ведут себя подобно обратно-смещенным диодам. Такой PN-диод имеет емкость перехода CJ0, взаимодействующую с нелинейными токами, возникающими вследствие обратных выбросов заряда при переключениях внутри АЦП. Создаваемые этими токами напряжения смешиваются с аналоговым сигналом. При выборке смешанного сигнала внутри АЦП генерируются гармоники третьего порядка с весьма значительным уровнем. Изображенная на Рисунке 8 временная диаграмма иллюстрирует искажающее влияние супрессоров в режиме входного перенапряжения. Все сказанное не означает, что TVS-диоды непригодны для защиты входов АЦП, однако при их выборе требуется тщательное изучение технических спецификаций, чтобы параметры диодов гарантированно обеспечивали заданные характеристики преобразования.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 8. Искажения, вносимые защитным TVS-диодом.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала с помощью диодов Шоттки

С преодолением гигагерцовых барьеров АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала могут существенно упростить конструкцию радиоприемника, поскольку перед их входами не требуется включать многочисленные каскады смесителей, однако входы АЦП остаются уязвимыми к воздействию перенапряжений. На Рисунке 9 показан типичный усилитель входной цепи для АЦП прямой дискретизациии радиочастотного сигнала. Усилители нового поколения, специально разработанные для совместной работы с этими АЦП, имеют конфигурируемые через интерфейс SPI входы управления аттенюатором, позволяющие быстро ослабить коэффициент усиления до предварительно запрограммированного значения. Вход быстрого ослабления такого усилителя может быть соединен с выходом детектора входного перенапряжения микросхемы АЦП прямой дискретизации. Примером подобного усилителя нового поколения является микросхема ADA4961. А примерами АЦП прямой дискретизации, имеющих функцию быстрого обнаружения перегрузки по входу, могут служить AD9680 и AD9625.

Схема, изображенная на Рисунке 9, работает хорошо лишь до тех пор, пока входные напряжения находятся в пределах допустимого диапазона. Если же, например, на входе схемы приемника возникнет внезапный скачок высокого напряжения, выходные напряжения будут стремиться вырасти до напряжения питания усилителя (в нашем случае это 5 В). Следствием будет мощный выброс, превышающий допустимое входное напряжение АЦП. Цепь быстрого обнаружения перегрузки имеет некоторую задержку (28 тактов или 28 нс для AD9680-1000), поэтому к моменту, когда АЦП получает предупреждение о недопустимо высоком напряжении, он уже подвергается воздействию такого напряжения на протяжении несколько тактов. Это может снизить надежность АЦП, поэтому в схемах, для которых риск таких воздействий недопустим, нужно вводить дополнительную схему защиты. В подобных ситуациях будет полезен диод Шоттки с очень низкими значениями собственной и паразитной емкостей. Основные параметры, необходимые для выбора диода, можно найти в технической литературе.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 9. Усилитель с входом быстрого переключения аттенюатора,
управляемый выходом быстрого детектора перегрузки
АЦП прямой дискретизации.

Напряжение обратного пробоя (VBR) – максимальное напряжение на входных выводах AD9680 – составляет примерно 3.2 В относительно шины AGND, поэтому был выбран диод с VBR = 3 В.

Чтобы гарантировать, что сам диод не повлияет на характеристики АЦП (SNR/SFDR) в нормальном режиме его работы, емкость перехода диода (CJ0) должна быть как можно меньшей.

На Рисунке 10 показана пассивная схема предварительной обработки сигнала с диодом Шоттки, включенным перед АЦП. Пассивная схема наглядно демонстрирует, что диод Шоттки может защитить входы, не ухудшая характеристик АЦП по переменному току.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 10. Пассивная схема защиты с использованием диода Шоттки для
АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала.

После тестов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала на частотах до 2 ГГц был выбран диод Шоттки RB851Y. Важнейшие параметры этого диода, делающие его пригодным для данного применения, приведены в Таблице 2. Для того, чтобы показать, что диоды защищают входы АЦП от напряжения, превышающего максимально допустимое значение 3.2 В (относительно AGND), были проведены отдельные испытания.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 11. Несимметричный вход АЦП с напряжением, ограниченным
с помощью диодов Шоттки.

На Рисунке 11 показано напряжение на несимметричном входе (вывод АЦП VIN+), сформировавшееся в результате воздействия на вход цепи предварительной обработки высоковольтного сигнала с частотой 185 МГц. Диод Шоттки ограничивает амплитуду напряжения на уровне 3.0 В относительно провода AGND, не допуская воздействия на входы АЦП напряжений, достигающих предельного значения 3.2 В. На Рисунке 12 показан дифференциальный сигнал на входе AD9680, обрезанный диодами Шоттки.

Таблица 2. Основные параметры диода Шоттки, используемого в
схеме защиты входов АЦП прямой дискретизации
радиочастотного сигнала.
Параметр
Значение
Ед.
Измерения
Комментарий
Обратное
напряжение
3
В
Предельно допустимое значение
при VIN = ±3.2 В, согласно
спецификации AD9680.
Собственная
емкость
0.8
пФ
Меньшее влияние на АЦП при
работе в нормальном режиме

Затем мы измерили характеристики в режиме нормальной работы. АЦП AD9680 управлялся в полном соответствии с рекомендациями, приведенными в техническом описании, но входные цепи были модифицированы, как это показано на Рисунке 10. Частота на аналоговом входе варьировалась от 10 МГц до 2 ГГц. Мы ожидали, что сверхнизкое значение CJ0 не должно было повлиять на такие характеристики АЦП, как SFDR и отношение сигнал/шум (SNR).

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 12. Напряжение на дифференциальных входах AD9680,
ограниченное диодами Шоттки.

Как можно увидеть из Рисунка 13, диод Шоттки совершенно не влияет на величину отношения сигнал/шум, но значения SFDR на некоторых частотах отклоняются от ожидаемых. Причина этого может крыться в несоответствии дифференциального напряжения и напряжения, порождаемого обратными выбросами заряда из АЦП. Для широкого диапазона частот входных сигналов от постоянного тока до 2 ГГц была создана оценочная плата, которая, в целом, демонстрирует хорошую работу во всем диапазоне частот, однако некоторые ее компоненты на определенных частотах могут взаимодействовать с диодами Шоттки.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 13. Зависимость SNR/SFDR от частоты входного сигнала
для АЦП AD9680 со схемой защиты на диодах Шоттки.

В большинстве приложений вся полоса частот до 2 ГГц не используется, поэтому имеется возможность настройки схемы предварительной обработки сигнала для защиты входа от чрезмерных напряжений в требуемом диапазоне частот. Тщательный выбор диода Шоттки может защитить входы АЦП, позволяя разработчику использовать в цепях предварительной обработки сигнала новейшие функции быстрого переключения усиления и быстрого детектирования перегрузки входа, как это показано на Рисунке 14.

Защита входов АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала: никакой черной магии
Рисунок 14. Микросхема ADA4961 управляет АЦП прямой дискретизации радиочастотного
сигнала AD9680, защищенным диодами Шоттки.

Заключение

Эта статья продемонстрировала использование диодов Шоттки для защиты АЦП прямой дискретизации радиочастотного сигнала от входных перенапряжений. При этом особенно подчеркнута важность тщательного изучения технических параметров диода. Для оптимизации характеристик в требуемой полосе частот необходимо использование схемы защиты. Для автоматического управления усилением выход быстрого детектора перегрузки АЦП прямой дискретизации может быть соединен с входом быстрого переключения усиления одного из современных специализированных усилителей-драйверов.

Перевод: В.Рентюк по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: RF-Sampling ADC Input Protection: Not Black Magic After All

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

10 предложений от 8 поставщиков
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), BGA-196, 12 bit, Pipeline, 1 Channel, Серия AD9625
ЭИК
Россия
AD9625BBP-2.6
Analog Devices
от 72 ₽
Очиститель карбюратора autodoctor 300 мл, аэрозоль ad9625
276 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
AD9625BBPZ-2.5
Analog Devices
по запросу
Кремний
Россия и страны СНГ
AD9625-2.0EBZ
Analog Devices
по запросу
Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Можете привести примеры недорогих приёмников с прямой дискретизацией? Где продаются они, сколько стоят? На алиэкспрессе помню кто-то из радиолюбителей покупал, но кто и где - ссылку не нахожу.