Шум переключения джиттера

Коммутационный шумовой джиттер (SNJ) — это совокупность изменчивости шумовых событий во временной области питания при смещении электронной системы, в частности, при регулируемом напряжении смещении питания, встроенном в замкнутый контур (обратная связь) , например, SMPS. . SNJ можно измерить с помощью анализа спектральной гистограммы в реальном времени. ^{[ 1 ]} и выражается как частота встречаемости в процентах. Существование SNJ было впервые продемонстрировано и заявлено компанией TransSiP Inc в 2016 и 2017 годах на конференции по прикладной силовой электронике (APEC). ^{[ 2 ]} и проверено экспертами Tektronix, прежде чем будет представлено в качестве тематического исследования, опубликованного Tektronix . ^{[ 3 ]} Об открытии SNJ также было упомянуто в нескольких статьях, опубликованных Planet Analog. журналом ^{[ 4 ]} и сеть EDN . ^{[ 5 ]} Трудно фильтровать с помощью обычных сетей LC из-за изменчивости как во временной , так и в частотной областях , SNJ может вносить случайные ошибки в аналого-цифровое преобразование, влияя как на целостность данных, так и на производительность системы в цифровой связи и услугах, основанных на местоположении (например, GPS , спутниковое позиционирование ).

Создание

В импульсных источниках питания ( SMPS сигнала ) шум, присутствующий в схемах контура управления источника питания, вызывает смещение во времени нарастания и спада пилообразных пульсаций . Как следствие, пульсирующий сигнал демонстрирует дрожание , и шум, переносимый пульсациями, также имеет дрожание. Когда этот тип смещения источника питания используется для питания системы, работающей в энергосберегающих режимах или в импульсных приложениях, как показано на рис. 1, ток потребления колеблется импульсами. Обычно нагрузка переходит в режим высокой мощности (например, RX/TX On) на десятки микро- или миллисекунд, а затем переключается в режим низкой мощности или режим ожидания на сотни милли- или десятки секунд. Пусковые токи вызывают колебания напряжения из-за паразитных свойств как компонентов, так и межсоединений, создавая случайный шум в дополнение к обычно присутствующим звону и гармоникам. Результат: SNJ.

Сопутствующие проблемы

В настоящее время многие современные импульсные преобразователи постоянного тока в постоянный работают в двухрежимном режиме. При полной нагрузке частота переключения поддерживается постоянной, а напряжение модулируется путем изменения ширины импульса ( широтно-импульсная модуляция или ШИМ), тем самым обеспечивая фиксированную частоту для схемы фильтра. При наличии небольших нагрузок эффективность ШИМ снижается, поэтому преобразователь переключается на модуляцию частоты импульсов, обычно называемую частотно-импульсным режимом (ЧИМ) для повышения эффективности. Тем не менее, двухрежимный подход имеет множество недостатков: он создает дополнительный переходный шум и мгновенные колебания выходного напряжения, а также снижает энергоэффективность из-за увеличения тока покоя, необходимого для сложной схемы переключения режимов. Еще больше усложняет ситуацию то, что режим ЧИМ создает широкий спектр шума, а также SNJ во временной области выходного напряжения, который трудно отфильтровать.

Таким образом, сигнатура SNJ оказывает доминирующее влияние на производительность чувствительных к шуму SoC . ^{[ 6 ]} компоненты схемы и точность слабых сигналов после подавления пульсаций напряжения. Кроме того, SNJ имеет кумулятивный эффект при аналого-цифровом преобразовании, наблюдаемом в современной цифровой связи, из-за существования множества нежелательных шумовых сигналов с течением времени, которые будут оцифрованы и сохранены в памяти.

Время в зависимости от частотной области

Шум на выходе преобразователей постоянного тока может представлять собой случайные или периодические колебания выходного напряжения, аналитически выражаемые как размах напряжения или спектральная плотность шума. На рис. 2 и рис. 3 показаны типичные визуальные характеристики выходного сигнала импульсного регулятора и линейного регулятора (также известного как «малое падение напряжения» или « LDO ») соответственно. Пилообразная форма пульсаций является следствием LC-фильтрации на выходе импульсного стабилизатора, в то время как выходной сигнал LDO в этом примере ясно показывает переходные/паразитные события из-за паразитных свойств схемы. Они сопровождаются большим количеством макроколебаний в импульсном приложении из-за выбросов и недорегулирований.

На рис. 4 сравнивается шум смещения источника питания (пульсации) в приложении GPS, измеренный анализатором спектра. Первичное напряжение смещения обеспечивается соответственно LDO и импульсным стабилизатором. Частотный диапазон спектра шума у обоих очень схож и лежит ниже 1 МГц. Однако амплитуда шума LDO примерно на 20 дБ ниже, чем у импульсного стабилизатора.

Таким образом, в общей практике ожидается, что первичное напряжение смещения, обеспечиваемое LDO, будет работать лучше и обычно используется в качестве эталона при определении рабочих характеристик активного устройства, такого как GPS, модуль беспроводной связи или ИС, несмотря на относительно низкий постоянный ток. -КПД преобразования постоянного тока линейных регуляторов.

LDO действительно способен обеспечить малошумящее смещение, но только при постоянной нагрузке постоянного тока. Конечно, на практике потребляемый ток нагрузки будет колебаться, и тщательное изучение смещения питания импульсных приложений покажет, что переходный шум действительно присутствует, как показано на рис. 5, и его трудно отфильтровать. Питание чувствительной к шуму SoC или компонента схемы в импульсном режиме с помощью LDO вполне может оказаться неоптимальным решением: помимо низкой эффективности преобразования, в смещении питания все еще присутствует шум в виде переходных процессов, которые варьируются. как по частоте, так и по плотности (частоте встречаемости). ^{[ 7 ]}

При наблюдении на осциллографе форма пульсаций на выходе PFM преобразователя постоянного тока типа будет выглядеть так, как показано на рис. 6. Аномалии, возникающие во временной области, увеличивают «возмущение»: изменчивость событий переключения во времени относительно эталона. Поскольку преобразователь является преобразователем типа PFM , частота переключения изменяется в зависимости от колебаний нагрузки. Это делает проблематичным использование измерения в частотной области для определения того, какая часть изменения формы сигнала как по времени T _ON , так и по наклону S1 (∆V/∆T) вызвана реакцией контроллера на нагрузку, а какая – шум в схеме контура управления.

Форма сигнала на рис. 7 демонстрирует результат той же установки с кондиционированием SNJ: вариабельность TON _и S1 существенно снижается.

Измерение

Поскольку SNJ возникает случайным образом, наиболее эффективный метод измерения предполагает определение частоты его возникновения. DPX (цифровой люминофор) ^{[ 8 ]} техника от Tektronix ^{[ 9 ]} особенно полезен, поскольку он напрямую выводит плотность событий в форме анализа гистограммы. Благодаря введению плотности событий в качестве дополнительного измерения, дисплей DPX Spectrum можно использовать для различения движений сигнала, вызванных нагрузкой и джиттером, добавляя дополнительное измерение к частоте и амплитуде. Спектр цветовой температуры (ось Z) показывает количество появлений сигналов (или «плотность событий») за заданный период времени. Регулировками масштабирования по оси Z для максимальных и минимальных значений появления можно управлять, чтобы визуально различать различные сигналы ниже максимальной амплитуды.

На рис. 8 показан график DPX формы волны смещения питания, показанной на рис. 6. Область измерения, определяемая диапазонами горизонтальной частоты и вертикальной амплитуды, используется для определения и измерения средней плотности событий за определенный период времени. Хорошо видны искажения промежуточных (зеленых/желтых) полос на растровом изображении.

В этом примере период измерения установлен на бесконечность (т.е. система непрерывно собирает SNJ на дисплее DPX до момента остановки). Этот метод измерения позволяет идентифицировать и измерить SNJ на выходе ИИП как качественно, так и количественно.

Решающее снижение шума, достигнутое при настройке SNJ, можно ясно увидеть на рис. 9. Кондиционирование SNJ снизило плотность событий примерно на 50%. Полевые испытания показали, что этот уровень снижения является значительным, с очевидным улучшением автономности и производительности устройства.

Таким образом, достижения в анализе сигналов позволили обнаружить новый компонент шума, присутствующий в электронных системах, использующих преобразование постоянного тока в постоянный. Полевые испытания, сравнивающие устройства с батарейным питанием, в которых SNJ эффективно кондиционируется, с устройствами, использующими обычное линейное регулирование и/или режим переключения постоянного тока, убедительно показали, что достигаются измеримые улучшения в производительности, точности и автономности.

Ссылки

^ Tektronix (июнь 2016 г.). «Основы спектрального анализа в реальном времени» (PDF) . Документы Тектроникс .
^ https://www.apec-conf.org/about/history/2017-conference-photos/pageindex508/6. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ «Прорыв TransSiP в области коммутационного шума при преобразовании мощности» . Тектроникс . Сентябрь 2016.
^ Таранович, Стив (6 сентября 2016 г.). «Технология для устройств с ограниченным энергопотреблением» . Планета Аналог .
^ Берр, Уильям; Вонг, Десмонд (2 сентября 2016 г.). «Питание носимой электроники: новое измерение» . Сеть ЭДН .
^ Рахман, Монтана; Форте, Д.; Ван, X.; Тегранипур, М. (19–20 декабря 2016 г.). Повышение чувствительности встроенных SRAM к шуму для надежной генерации случайных чисел в SoC . Азиатская аппаратно-ориентированная безопасность и доверие IEEE (AsianHOST). Илань, Тайвань: IEEE. дои : 10.1109/AsianHOST.2016.7835559 . ISBN 978-1-5090-5701-6 .
^ Вонг, Десмонд (6 мая 2013 г.). «Опорная частота приемника GNSS для успешной спутниковой навигации» . ЭДН . Проверено 7 августа 2019 г.
^ Го, Шицзянь (январь 2013 г.). «Проектирование системы DPX для анализа спектра и обнаружения сигналов в реальном времени» . IEICE Electronics Express – через Research Gate.
^ «Обзор DPX» . 12.10.2017 . Проверено 7 августа 2019 г.

Внешние ссылки

ТрансСиП Инк.

[1] Tektronix (июнь 2016 г.). «Основы спектрального анализа в реальном времени» (PDF) . Документы Тектроникс .

[2] ttps://www.apec-conf.org/about/history/2017-conference-photos/pageindex508/6. ^{[ мертвая ссылка ]}

[3] «Прорыв TransSiP в области коммутационного шума при преобразовании мощности» . Тектроникс . Сентябрь 2016.

[4] Таранович, Стив (6 сентября 2016 г.). «Технология для устройств с ограниченным энергопотреблением» . Планета Аналог .

[5] Берр, Уильям; Вонг, Десмонд (2 сентября 2016 г.). «Питание носимой электроники: новое измерение» . Сеть ЭДН .

[6] Рахман, Монтана; Форте, Д.; Ван, X.; Тегранипур, М. (19–20 декабря 2016 г.). Повышение чувствительности встроенных SRAM к шуму для надежной генерации случайных чисел в SoC . Азиатская аппаратно-ориентированная безопасность и доверие IEEE (AsianHOST). Илань, Тайвань: IEEE. дои : 10.1109/AsianHOST.2016.7835559 . ISBN 978-1-5090-5701-6 .

[7] Вонг, Десмонд (6 мая 2013 г.). «Опорная частота приемника GNSS для успешной спутниковой навигации» . ЭДН . Проверено 7 августа 2019 г.

[8] Го, Шицзянь (январь 2013 г.). «Проектирование системы DPX для анализа спектра и обнаружения сигналов в реальном времени» . IEICE Electronics Express – через Research Gate.

[9] «Обзор DPX» . 12.10.2017 . Проверено 7 августа 2019 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]