ФГБОУ ВО ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I

ОТЧЁТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

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

Выполнил: студент гр. АР-709 Андронников А. Д.

Санкт-Петербург 2019

Настоящая работа содержит следующие основные разделы:

1.Введение;

2.Параметрические стабилизаторы и параметрические стабилизаторы с транзисторными повторителями;

3.Интегральные стабилизаторы;

4.Дискретные стабилизаторы компенсационного типа с фильтрацией шумов источников опорных напряжений;

5.Принципиальная схема спроектированного стабилизатора;

6.Список использованной литературы и источников.

Введение

За последние 25 лет динамический диапазон используемых в технике, промышленности и быту электрических сигналов вырос более, чем на 50 – 60 дБ.

Если в 90-х годах прошлого века для ЦАП/АЦП 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 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 существенную роль в получении таких малых и достоверно преобразуемых сигналов будет играть качество и стабильность питания преобразовательных и усилительных элементов схемы.

Таким образом, реализация современных микросхем ЦАП требует тщательного подхода к проектированию их источников питания. Разработчики с целью минимизации взаимного влияния разных каскадов схемы цифроаналогового преобразования идут на достаточно сложные технологические приемы. При производстве кристаллов топология металлизации на кристалле рассчитывается исходя из условия получения минимально возможных ёмкостей 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 и т.д.

Рассмотрим в качестве примера микросхему звукового ЦАП AK4493EQ производства Asahi Kasei Microdevices. Это двухканальный многоуровневый дельта-сигма ЦАП с цифровым фильтром, преобразующий цифровой поток с частотой дискретизации до 768кГц при разрядности входных данных 32 бит в аналоговый сигнал (напряжение на выходах). Микросхема, согласно официальным справочным данным, обеспечивает динамический диапазон преобразования не менее 125дБ (реально измеренный – более 147дБ). На рисунке приведено расположение выводов микросхемы с отмеченными различными цветами выводами питания, «земли» и опорных напряжений.

VDDL и VSSL – питание аналоговой части 1 канала (+5В, макс. ток до 35мА) и её «земля»; VDDR и VSSR – питание аналоговой части 2 канала и её «земля»;

VREFHL и VREFLL – опорное напряжение модуляторов 1 канала (+5В, макс. ток до 10мА) и его «земля»;

VREFHR и VREFLR – опорное напряжение модуляторов 2 канала и его «земля»;

AVDD и AVSS – питание цепей синхронизации дельта-модуляторов (+3.3В, 15мА) и их «земля»;

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

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 качественных схемах оба канала двухканальных ЦАП преобразуют один и тот же цифровой поток, соответственно, для питания одной микросхемы потребуется 5 источников питания, но и преобразование потока будет осуществляться только для одного канала.

Согласно регламентируемым параметрам, подавление помех по цепям аналогового питания (Kоспп) (то есть тех помех, которые непосредственно могут проникать на выходы ЦАП) составляет не менее 50 дБ в диапазоне частот 1 Гц -20000 Гц Иными словами, шум, фон, помехи, присутствующие в линии аналогового питания, проникают на выходы ЦАП, будучи ослабленными примерно в 300 раз. Ослабление помех в цепи опорного напряжения (Kосоп) 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). Номинальное напряжение на входе ЦАП для полной шкалы входного цифрового сигнала составляет 2 В (rms). Минимальный достоверно преобразуемый сигнал (Uсmin) при динамическом диапазоне 140 дБ составляет 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.

Может возникнуть закономерный вопрос о влиянии ВЧ-помех на работу схемы. Дело в том, что любая ВЧ-помеха, проникающая в усилительную схему с нелинейными элементами, взаимодействуя с напряжением сигнала, действительно создает спектр комбинационных составляющих на выходе, которые по своим свойствам близки к другим помеховым составляющим. Однако, борьба с ВЧ-помехами не требует специальных схемотехнических решений,

аосуществляется в основном с помощью оптимизации печатных плат и многоступенчатым шунтированием цепей питания конденсаторами,

атакже применением 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 рисунке 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.

Параметрические стабилизаторы

Обладают низким коэффициентом стабилизации и высоким уровнем собственных шумов. Стабилитроны лавинного пробоя, являющиеся основой большинства таких стабилизаторов с напряжениями выше 2.5 – 3В являются одними из наиболее сильно шумящих электронных компонентов. Спектральная плотность шума стабилитрона очень высока (5…50мкВ/√(Гц)), что в полосе частот 20000 Гц даст среднеквадратическое значение шума не менее 700 мкВ. Шунтирование стабилитрона конденсатором значительной емкости С снижает уровень шумов, но для достижения напряжения шума в десятые доли микровольта требуются конденсаторы в десятки тысяч микрофарад, которые сами по себе могут являться источником повышенного шума (из-за электрохимических процессов в электролитических конденсаторах). Соответственно, применение таких стабилизаторов без принятия специальных мер по фильтрации шумов в схемах, чувствительных к качеству питания, недопустимо.

Интегральные стабилизаторы

Самый простой и малозатратный способ стабилизации напряжений питания компонентов – это применение микросхем интегральных стабилизаторов. Такие стабилизаторы достаточно дешевы, схемы их включения очень просты. Так, например, типовой стабилизатор серии 7805 (КР142ЕН5А) обеспечивает подавление пульсаций входного напряжения до 60 дБ (1000 раз) на частоте 100 Гц и напряжение шума в 50 - 70мкВ. Но этого также недостаточно для обеспечения микросхем качественным питанием. Например, если принять величину пульсации напряжения после выпрямителя амплитудой всего 100мВ, то на выходе стабилизатора их величина может достигать 100мВ/1000 = 100мкВ.

Следовательно, применение подобных стабилизаторов всё ещё не обеспечивает качественного питания.

Дискретные стабилизаторы компенсационного типа с фильтрацией шумов источников опорных напряжений

Единственным способом, которые позволяет получить нановольтовые шумы на выходе стабилизатора, является использование сложных стабилизаторов компенсационного типа с фильтрацией шумов источника опорного напряжения. Блок-схема такого стабилизатора приведена на рисунке.

Входной фильтр обеспечивает первоначальную «очистку» выходного напряжения выпрямителя от высокочастотных помех. Первичный стабилизатор снижает пульсации напряжения выпрямителя до величин, которые уже не оказывают существенного влияния на работу источника образцового напряжения и выходного усилителя. В качестве такого стабилизатора удобно использовать недорогой интегральный из рассмотренных выше.

Источник образцового напряжения (ИОН) в современном исполнении генерирует постоянное напряжение с высокой температурной стабильностью (лучше 3*10Е-6 на 1 градус) и малыми собственными шумами (меньше 50нВ/√(Гц)). Избыточные НЧ-шумы – менее 1 мкВ на частотах 1…10Гц. Это позволяет даже без фильтрации собственных шумов такого ИОН получить широкополосный шум на выходе стабилизатора менее 5…7мкВ, что уже приближается к значениям, полученным выше в качестве требуемых.

Фильтр шумов снижает уровень переменной составляющей (т.е. шума) в выходном напряжении ИОН. Обычно это RC фильтр 1 порядка с частотой среза 0.2…1Гц. Применение только одной такой цепочки позволяет подавить составляющие шума с частотами от 10Гц и выше в 10 и более раз и получить напряжение широкополосного шума менее 0.1…0.2 мкВ в полосе частот до 20000Гц.

Выходной усилитель (или повторитель) предназначен для того, чтобы обеспечить требуемый выходной ток для питания нагрузки. Использование после ИОН мощного повторителя или усилителя на основе малошумящего ОУ позволяет получить выходной ток требуемой величины (десятки-сотни миллиампер) при выходном сопротивлении устройства в сотые доли ома.