10 (Для лаб по платам), страница 6

Этотрезистор изолирует драйвер цифрового выхода преобразователя от входной емкостибуферного регистра. Кроме того, RC-цепочка, образуемая резистором R и входнойемкостью буферного регистра, действует как фильтр низкой частоты и таким образомсглаживает резкие фронты.Типичный логический элемент КМОП в сочетании с дорожкой печатной платы исквозным переходом образует емкостную нагрузку величиной около 10 пФ. Скоростьпереключения логического выхода величиной 1 В/нс вызовет импульс тока в 10 мА, еслиздесь не будет изолирующего резистора:I=CВ∆v= 10 пФ× 1= 10 мА∆tнсПоследовательно включенный резистор сопротивлением 500 Ом уменьшит данныйвыходной ток и в результате увеличит время нарастания и спада импульса доприблизительно 11 нс, если входная емкость регистра будет равна 10 пФ:tr = 2.2 × τ = 2.2 × R·C = 2.2 × 500 Ом × 10 пФ = 11 нс26aРегистров ТТЛ желательно избегать; они могут заметно увеличить динамические токипереключения, так как имеют большую входную емкость.Буферный регистр и другие цифровые схемы должны быть заземлены и развязаны нацифровой заземляющей поверхности печатной платы.

Обратите внимание, что любойшумовой сигнал между аналоговой и цифровой заземляющими поверхностями уменьшаетзапас помехоустойчивости цифрового интерфейса преобразователя. Так как запаспомехоустойчивости цифровой схемы составляет порядка сотен или тысяч милливольт,это едва ли будет иметь значение. Аналоговая заземляющая поверхность обычно небывает слишком "шумной", но если шум на цифровой заземляющей поверхности(относительно аналоговой заземляющей поверхности) превышает несколько сотенмилливольт, то необходимо предпринять шаги для уменьшения импеданса цифровойзаземляющей поверхности, таким образом обеспечивая приемлемый уровень запасапомехоустойчивости цифровой схемы. Ни при каких условиях напряжение между двумязаземляющими поверхностями не должно превышать 300 мВ, иначе ИС может выйти изстроя.Также весьма желательно наличие отдельных источников питания для аналоговой ицифровой схем.

Для питания преобразователя необходим "аналоговый" источник питания.Если преобразователь имеет вывод, обозначенный как вывод питания цифровой частисхемы (VD), он должен быть подключен или к отдельному "аналоговому" источникупитания, или подключен через фильтр, как показано на схеме. Все выводы питанияпреобразователя должны быть развязаны на аналоговой заземляющей поверхности, а всевыводы питания цифровых схем должны быть развязаны на цифровой заземляющейповерхности, как показано на рис. 10.18.

Если источник "цифрового" питанияотносительно тихий, он может оказаться вполне пригодным для питания аналоговых схем,но будьте очень внимательны.В некоторых случаях не представляется возможным подключить вывод VD к источникупитания аналоговой части. Некоторые из новейших высокоскоростных ИС могут бытьрассчитаны на работу аналоговой части при напряжении питания 5 В, в то время какцифровая часть питается от источника +3 В для того, чтобы быть совместимым с 3вольтовой логикой. В этом случае вывод питания +3 В микросхемы должен быть развязаннепосредственно на аналоговую заземляющую поверхность. Также будет благоразумновключить дроссель на ферритовой бусине последовательно с линией питания, котораяподключена к выводу питания +3 В цифровой части ИС.27aТОЧКИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И РАЗВЯЗКИVAVAДРОССЕЛЬС ФЕРРИТОВОЙБУСИНОЙVDСм.текстAAVAVAADGNDAAГЕНЕРАТОРТАКТОВЫХИМПУЛЬСОВAБУФЕРИЛИРЕГИСТРRAGNDAИСТОЧНИКОПОРНОГОНАПРЯЖЕНИЯRАЦПИЛИЦАПОУADК ДРУГИМЦИФРОВЫМСХЕМАМDVAAAАНАЛОГОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬDЦИФРОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬРис.

10.18Схема генератора тактовых импульсов должна рассматриваться как аналоговая схематакже должна быть заземлена и тщательно разведена на аналоговой заземляющейповерхности. Фазовый шум генератора тактовых импульсов приводит к ухудшениюотношения сигнал/шум (SNR) системы, как будет вкратце рассмотрено ниже.О ГЕНЕРАТОРЕ ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВВ высокопроизводительных системах дискретизации для генерации тактовых импульсовпреобразования АЦП (или ЦАП) необходимо использовать кварцевый генератор с низкимфазовым шумом, т.к.

фазовый шум (jitter) тактового генератора модулирует аналоговыйвходной/выходной сигнал и увеличивает уровень шума и искажений. Генератор тактовыхимпульсов должен быть изолирован от шумных цифровых цепей и заземлен и развязан нааналоговой заземляющей поверхности, точно так же как операционные усилители и АЦП.Действие фазового шума тактового генератора на отношение сигнал/шум (SNR)аналогово-цифрового преобразователя выражается следующей приблизительнойформулой:1SNR = 20·log10[ 2πft ]jгде SNR – это отношение сигнал/шум идеального АЦП с бесконечным разрешением, вкотором единственным источником шума является шум, вызванный фазовым шумомтактового генератора со среднеквадратичным значением tj. Обратите внимание, что f вприведенном уравнении означает частоту аналогового входного сигнала.

Приведемпростой пример. Пусть среднеквадратичное значение tj = 50 пс, f = 100 кГц, тогда28aотношение сигнал/шум SNR = 90 dB, что соответствует 15-разрядному динамическомудиапазону.Необходимо отметить, что tj в приведенном уравнении – это корень из суммы квадратоввеличин фазового шума внешнего тактового генератора и фазового шума внутреннихтактовых импульсов АЦП (называемого апертурным фазовым шумом). Однако вбольшинстве высокопроизводительных АЦП внутренний апертурный фазовый шумпренебрежимо мал по сравнению с фазовым шумом генератора тактовых импульсов.Так как ухудшение соотношения сигнал/шум (SNR) в первую очередь связано с фазовымшумом внешнего тактового генератора, необходимо принять меры для того, чтобыгенератор тактовых импульсов был насколько возможно малошумящим и имелнаименьший из возможных фазовый шум.

Это требует применения кварцевогогенератора. Существует ряд производителей миниатюрных кварцевых генераторов снизким уровнем фазового шума (со среднеквадратичным значением менее 5 пс) и сКМОП-совместимым выходом. (Например, MF Electronics, 10 Commerce Dr., NewRochelle, NY 10801, Tel. 914-576-6570.)В идеале кварцевый тактовый генератор должен находиться на аналоговой заземляющейповерхности в системе с раздельным заземлением.

Однако это не всегда возможно поразличным причинам. Во многих случаях тактовые импульсы преобразователянеобходимо получить из более высокочастотных тактовых импульсов всей системы,которые генерируются на цифровой заземляющей поверхности. Затем эти импульсыдолжны идти от места их генерации на цифровой заземляющей поверхности к АЦП,находящемуся на аналоговой заземляющей поверхности.

Шум между двумязаземляющими поверхностями добавляется непосредственно к тактовому сигналу иприводит к увеличению фазового шума. Этот фазовый шум может ухудшить соотношениесигнал/шум преобразователя, а также вызвать появление нежелательных гармоник.Данное явление иногда можно устранить, если передавать тактовые импульсы какдифференциальный сигнал с помощью либо небольшого высокочастотноготрансформатора, как показано на рис. 10.19, либо с помощью быстродействующихинтегральных микросхем дифференциального драйвера и приемника. Если используетсяактивный дифференциальный драйвер и приемник, то они должны быть выполненыпо технологии ECL, чтобы минимизировать фазовый шум.

В системе с однополярнымпитанием +5 В микросхема ECL-логики может быть включена между шиной земли ипитания +5 В (PECL), а сигнал с дифференциальных выходов преобразован для подачи навход тактовых импульсов АЦП. В любом случае, изначальные тактовые импульсыдолжны быть генерированы с помощью кварцевого генератора с низким уровнемфазового шума.29aПЕРЕДАЧА ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ С ЦИФРОВОЙЗАЗЕМЛЯЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА АНАЛОГОВУЮЦИФРОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬVDVDГЛАВНЫЙ ГЕНЕРАТОРС НИЗКИМ ФАЗОВЫМШУМОМDАНАЛОГОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬТАКТОВЫЕИМПУЛЬСЫГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХИМПУЛЬСОВ СИСТЕМЫVDСПОСОБ 1DDVDDSP ИЛИМИКРОПРОЦЕССОР[VA+_DSNR = 20 log10A12πftj]ТАКТОВЫЕИМПУЛЬСЫСПОСОБ 2DAtj = Фазовый шум (jitter)f = Частота аналогового сигналаРис. 10.19ИСТОЧНИКИ НЕУДАЧ ПРИ ЗАЗЕМЛЕНИИ СИСТЕМЫ СО СМЕШАННЫМИСИГНАЛАМИ: ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОПЛАТНОЙ СХЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯК МНОГОПЛАТНОЙ СИСТЕМЕВ большинстве технических описаний АЦП, ЦАП и других устройств со смешаннымисигналами речь идет о заземлении на единственной печатной плате, обычно оценочнойплате, разработанной тем же производителем, что и данная микросхема.

Использованиеэтого подхода к многоплатным системам или к системам с несколькими АЦП/ЦАП частоявляется источником неудач. Обычно рекомендуется разделять заземляющуюповерхность печатной платы на аналоговую и цифровую. Далее рекомендуется выводыAGND и DGND преобразователя соединить вместе и соединить аналоговую заземляющуюповерхность с цифровой в этой же точке, как показано на рис. 10.20. Это, в сущности,создает в устройстве со смешанными сигналами систему заземления "звезда".Все шумные цифровые токи протекают от источника "цифрового" питания к цифровойзаземляющей поверхности и обратно к "цифровому" источнику, они изолированыот чувствительной аналоговой части платы.

Система заземления "звезда" образуется,когда аналоговая и цифровая заземляющие поверхности соединены вместе в той точке,где находится устройство со смешанными сигналами. Хотя этот подход обычно работаетв простой системе с одной печатной платой и одним АЦП/ЦАП, он не являетсяоптимальным для многоплатных систем со смешанными сигналами.

В системе, имеющейнесколько АЦП или ЦАП на различных печатных платах (или на одной, если хотите),аналоговая и цифровая поверхности получаются соединенными в нескольких точках,создавая возможность появления контуров заземления и делая систему заземленияв одной точке "звездой" невозможной. По этим причинам такой подход к заземлению не30aрекомендуется для многоплатных систем; для ИС со смешанными сигналамии небольшими цифровыми токами должен использоваться метод, обсужденный выше.ЗАЗЕМЛЕНИЕ ИС СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ:ОДНОПЛАТНАЯ СИСТЕМА(ТИПИЧНАЯ ОЦЕНОЧНАЯ/ТЕСТОВАЯ ПЛАТА)VAVDИС VDСОСМЕШАННЫМИСИГНАЛАМИVAАНАЛОГОВЫЕСХЕМЫAGNDТОЧКАЗАЗЕМЛЕНИЯ"ЗВЕЗДОЙ"AЦИФРОВЫЕСХЕМЫDGNDADАНАЛОГОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬDЦИФРОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬADАНАЛОГ.И.П.ЦИФРОВОЙИ.П.Рис.