ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии»

Кафедра «Электрическая связь»

Специальность 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»

Специализация «Радиотехнические системы на железнодорожном транспорте»

ОТЧЁТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

Стабилизатор напряжения малошумящий высокостабильный многоканальный для питания микросхем прецизионных АЦП/ЦАП

Выполнил студент

Факультет: АИТ

Специальность: АР-709

Номер зачетной книжки: __________________ Андронников А.Д.

01-709-01 подпись, дата

Руководитель НИР __________________ Тощев А.К.

подпись, дата

Санкт-Петербург

2019

Оглавление

Введение 3

1. Параметрические стабилизаторы и параметрические стабилизаторы с транзисторными повторителями 10

2. Интегральные стабилизаторы 11

3. Дискретные стабилизаторы компенсационного типа с фильтрацией шумов источников опорных напряжений 13

Список использованной литературы и источников. 19

Введение

За последние 25 лет динамический диапазон используемых в науке, технике, промышленности и быту электрических сигналов вырос более, чем на 50 – 60 дБ. Это касается как принимаемых сигналов от разнообразных датчиков, так и формируемых сигналов управления сервисными устройствами и преобразователями электрических сигналов в различные физические величины. Особенно заметно это увеличение в области преобразования широкополосных, в частности, звуковых сигналов.

Если в начале-середине 90-х годов прошлого века для цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей цифровой звуковой аппаратуры характерной была 16-и разрядная шкала, соответствующая динамическому диапазону приблизительно 98дБ (6*N+2, где N – число разрядов ЦАП или АЦП), то с начала 2-го десятилетия 21 века типовыми стали ЦАП/АЦП со шкалой преобразования от 24 до 32 разрядов, т.е. с теоретически возможным динамическим диапазоном 146 – 194дБ. Иными словами, если максимальное выходное напряжение 32-разрядного ЦАП составляет 10В, то минимальное, соответствующее 1 МЗР (младшему значащему разряду) – всего около 2 нановольт!

Очевидно, что хотя формирование столь малых напряжений может быть и физически нереализуемо по целому ряду причин (тепловые шумы, термо-ЭДС, контактная разность потенциалов, наведенные шумы в кристаллах полупроводниковых приборов от частиц космических лучей и т.д.), но существенную роль в получении достоверно преобразуемых малых сигналов будет играть качество и стабильность питания преобразовательных и усилительных элементов схемы.

Из общей теории электронных усилительных устройств известно, что любой усилитель сигналов (импульсных, синусоидальных, произвольной формы), работающий в любом режиме (линейный, ключевой), является модулятором энергии источника питания, управляемым энергией входного сигнала. Отсюда следует вполне объективный вывод, что обобщенное качество выходного сигнала любого усилителя будет связано с качеством энергии его источника питания определенными, хотя и не всегда точно поддающимися численно-функциональному выражению, зависимостями. Учитывая, что практически все каскады любых цифровых и/или аналоговых устройств являются усилительным по своей физической природе, понятна роль обеспечения питания этих каскадов электрической энергией высокого качества (стабильная величина напряжения, малый уровень шума и помех).

Огромный диапазон возможных значений выходных сигналов современных микросхем ЦАП требует очень тщательного подхода к проектированию их источников питания. Разработчики таких микросхем с целью реализации минимального взаимного влияния разных каскадов схемы цифроаналогового преобразования идут на достаточно сложные технологические приемы при производстве кристаллов и их корпусировке. Топология металлизации на кристалле рассчитывается исходя из условия получения минимально возможных емкостей между аналоговыми и цифровыми элементами схемы, на кристалле формируются низкоомные шины питания, в корпусе используются раздельные выводы питания и «земли» цифровой и аналоговой частей схемы, раздельные выводы для возвратных токов управляющих цифровых сигналов, независимые питания функционально обособленных частей кристалла преобразователя, большое количество параллельно включенных выводов корпуса микросхемы для снижения общего активного сопротивления цепей питания и «земли».

Рассмотрим в качестве примера микросхему звукового цифро-аналогового преобразователя AK4493EQ производства Asahi Kasei Microdevices. Это двухканальный многоуровневый дельта-сигма ЦАП с интегрированным цифровым фильтром, преобразующий цифровой поток с частотой дискретизации до 768кГц при разрядности входных данных 32бит в аналоговый сигнал (напряжение на выходах). Микросхема, согласно официальным справочным данным, обеспечивает динамический диапазон преобразования не менее 125дБ (реально измеренный – более 147дБ). Полные справочные данные приведены в [1].

На рисунке приведено расположение выводов микросхемы с отмеченными различными цветами выводами питания, «земли» и опорных напряжений.

Рис. 1. Расположение и назначение выводов AK4493EQ

Согласно типовой схеме включения, данный ЦАП требует следующие напряжения питания:

1. VDDL – питание аналоговой части 1 канала (+5В, макс. ток до 35мА)

VSSL – «земля» аналоговой части 1 канала;

2. VDDR – питание аналоговой части 2 канала (+5В, макс. ток до 35мА)

VSSR – «земля» аналоговой части 2 канала;

3. VREFHL – опорное напряжение модуляторов 1 канала (+5В, макс. ток до 10мА)

VREFLL – «земля» опорного напряжения модуляторов 1 канала;

4. VREFHR – опорное напряжение модуляторов 2 канала (+5В, макс. ток до 10мА)

VREFLR – «земля» опорного напряжения модуляторов 2 канала;

5. AVDD – питание цепей синхронизации дельта-модуляторов (+3.3В, 15мА)

AVSS – «земля» цепей синхронизации дельта-модуляторов;

6. TVDD – питание входных интерфейсных цепей цифровой части (+3.3В, 25мА);

7. DVDD – питание «ядра» цифровой части (+1.8В, до 130мА)

DVSS – «земля» цифровой части.

Таким образом, для обеспечения нормального функционирования данного ЦАП требуется 7 независимых источников питания. В ряде наиболее качественных схем, для достижения предельных параметров, оба канала двухканальных ЦАП преобразуют один и тот же цифровой поток, а аналоговые сигналы с выходов двух каналов в дальнейшем проходят специальную суммарно-разностную обработку, что позволяет существенно снизить импульсные помехи от дельта-модуляторов. В таком случае питания аналоговых частей и опорные напряжения двух каналов одной микросхемы ЦАП можно (и нужно) объединить. Соответственно, для питания одной микросхемы потребуется 5 источников питания, но и преобразование потока будет осуществляться только для одного канала. В стереофонической аппаратуре, где имеются 2 независимых канала, потребуются уже 2 микросхемы ЦАП и 10 источников их питания.

Определим требования к источникам питания аналоговой части ЦАП и опорных напряжений исходя из справочных данных ЦАП и желаемого динамического диапазона преобразования, ограниченного шумами и помехами по питанию, как наиболее существенным фактором. Согласно регламентируемым фирмой-изготовителем параметрам, подавление помех по цепям аналогового питания (Kоспп) (то есть тех помех, которые непосредственно могут проникать на выходы ЦАП) для микросхем ЦАП третьего поколения «Verita» составляет не менее 50 дБ в диапазоне частот 1 Гц -20000 Гц [2]. Иными словами, шум, фон, помехи, присутствующие в линии аналогового питания, проникают на выходы ЦАП, будучи ослабленными примерно в 300 раз. Данных по ослаблению помех в цепи опорного напряжения (Kосоп), производитель, к сожалению, не приводит, но, по измерениям, проведенным на официальной макетной плате AKD4493, предоставляемой Asahi Kasei [3], эта величина составляет примерно 6…10 дБ (2…3 раза) в том же диапазоне частот.

Рассчитаем напряжение шума и помех на выходе ЦАП при динамическом диапазоне преобразования 140дБ (измеренная в реальном устройстве величина). Поскольку помехи и шумы имеют несинусоидальный характер, то при расчете будем использовать действующие значения напряжений, величина которых не связана с формой сигнала.

Номинальное напряжение на входе ЦАП для полной шкалы входного цифрового сигнала составляет 2 В(rms) [1]. Минимальный достоверно преобразуемый сигнал (Uсmin) при динамическом диапазоне 140 дБ составит 0.2 мкВ. Соответственно, наибольшие значения напряжения шума, помех и пульсаций в линии питания не должны превышать величины :

Uшп = Ucmin * Kоспп = 0.2мкВ * 300 = 60 мкВ,

а в линии опорного напряжения

Uшоп = Ucmin * Косоп = 0.2мкВ * 3 = 0.6 мкВ

Линия питания цепей синхронизации тоже очень чувствительна к шуму и помехам, но влияние их на работу схемы ЦАП не прямое, а косвенное, через увеличение дрожания фронтов синхронизирующих сигналов дельта-модуляторов (джиттер), которое определяет предельную точность момента преобразования цифрового кода в аналоговую величину. В свою же очередь, эта точность временной шкалы, вследствие эффекта фазово-амплитудной конверсии, является источником повышенного уровня искажений при преобразовании сигналов с частотами, близкими к половине частоты дискретизации. Учесть такое влияние очень сложно, но экспериментально установлено, что при работе на высоких частотах преобразуемого сигнала, близких к найквистовской частоте, увеличение интермодуляционно-шумового «пьедестала» примерно соответствует влиянию помех в цепи опорного напряжения.

Несмотря на то, что указанные интегральные значения напряжения шума действительны для рабочей полосы частот (1…20000 Гц), желательно, чтобы и на более высоких частотах уровни помех были не большими, а то и меньшими. Дело в том, что любая ВЧ-помеха, проникающая в усилительную схему с нелинейными элементами, взаимодействуя с напряжением сигнала, создает целый спектр интермодуляционных (комбинационных) составляющих на выходе данной схем, которые по своим свойствам близки к другим помеховым составляющим. То есть точно так же, как и тепловой шум, маскируют собой полезный сигнал. Однако, борьба с ВЧ-помехами не требует специальных схемотехнических решений, а осуществляется в основном с помощью оптимизации топологии печатных плат и многоступенчатым шунтированием цепей питания конденсаторами с малым значением ESR и высокими собственными частотами паразитных резонансов, а также применением индивидуальных LC – фильтров в цепях питания наиболее критичных элементов. Поэтому, мы априорно предполагаем, что эти моменты учтены при проектировании печатных плат инженером-конструктором и не требуют специального «вмешательства» разработчика.

На рис. 2 приведен пример топологии участка четырехслойной печатной платы с секторным полигоном общего провода для разрыва возвратных ВЧ-токов и многоступенчатыми емкостными шунтами цепей питания для ЦАП с применением микросхемы AK4493EQ.

Рис. 2 – Топология проводников в слоях печатной платы для микросхем AK4493EQ

Рассмотрим возможные пути реализации стабилизаторов питания с уровнем помех, удовлетворяющим указанным выше условиям.

Наиболее распространены три основных направления конструирования стабилизаторов напряжения.