eng
Содержание
Содержание
Предисловие научного редактора ..................................................................... 8
Вступление................................................................................................. 10
Благодарности .............................................................................................. 12
Об авторе .................................................................................................... 13
Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС.................................................. 14
1.1.
Обзор высокоскоростных систем ЦОС ..................................................... 15
1.2.
Проблемы систем цифровой обработки аудиосигнала ............................. 17
1.3.
Проблемы систем цифровой обработки видеосигнала ............................ 19
1.4.
Проблемы ЦOC в системах связи .............................................................. 20
Литература ................................................................................................. 22
Глава 2. Эффекты линий передачи .......................................................................... 23
2.1.
Теория линий передачи ............................................................................... 23
2.2.
Моделирование параллельных нагрузок ................................................... 28
2.3.
Практические соображения по линиям передачи .................................... 30
2.4.
Результаты моделирований и экспериментальных исследований
линий передачи ........................................................................................... 31
2.4.1.
ЛП без подключения нагрузки или сопротивления
источника ........................................................................................... 31
2.4.2.
ЛП с последовательным подключением источника ........................ 33
2.5.
Влияние контура заземления на линию передачи .................................... 34
2.6.
Минимизация влияния эффектов линии передачи .................................. 36
Литература ................................................................................................ 37
Глава 3. Влияние перекрестных помех ........................................................ 38
3.1.
Цепи обратных токов .................................................................................. 38
3.2.
Перекрестные помехи, вызванные излучением ........................................ 43
3.3.
Выводы .............................................................................................. 47
Литература .................................................................................................. 48
Глава 4. Вопросы проектирования источников питания ....................................... 49
4.1.
Архитектуры источников питания (ИП) ................................................... 49
4.2.
Об архитектуре источников питания систем ЦОС ................................... 57
4.2.1.
Рассмотрение последовательности подачи питания ....................... 62
4.3.
Выводы ............................................................................................. 64
Литература .................................................................................................. 65
Глава 5. Развязка источника питания ........................................................... 66
5.1.
Способы развязки источника электропитания ......................................... 66
5.1.1.
Характеристики конденсаторов ........................................................ 68
5.1.2.
Характеристики катушки индуктивности ........................................ 71
5.1.3.
Характеристики ферритовых бусинок .............................................. 72
5.1.4.
Главный эмпирический метод развязки ........................................... 73
6
Содержание
5.1.5.
Аналитический метод развязки ......................................................... 75
5.1.6.
Размещение развязывающих конденсаторов ................................... 86
5.2.
Подавление высокочастотных помех ......................................................... 87
5.2.1.
Проектирование Pi=фильтра ............................................................. 88
5.2.2.
Проектирование T=фильтра .............................................................. 92
5.3.
Выводы ......................................................................................................... 95
Литература .................................................................................................. 96
Глава 6. Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)............................... 97
6.1.
Аналоговые ФАПЧ (АФАПЧ) ..................................................................... 97
6.1.1.
Дрожание фазы системы ФАПЧ ....................................................... 99
6.2.
Цифровая система ФАПЧ......................................................................... 101
6.3.
Методы развязки системы ФАПЧ ............................................................ 104
6.3.1.
Pi= и T=фильтры................................................................................ 104
6.3.2.
Стабилизатор линейного напряжения ........................................... 107
6.4.
Заключение .......................................................................................... 109
Литература ................................................................................................. 109
Глава 7. Обзор преобразователей данных ...................................................... 110
7.1.
Системы цифровой обработки сигнала ................................................... 110
7.2.
Аналого=цифровой преобразователь (АЦП) ........................................... 111
7.2.1.
Дискретизация (осуществление выборок) ..................................... 113
7.2.2.
Шум квантования ............................................................................ 114
7.3.
Цифро=аналоговый преобразователь (ЦАП) .......................................... 118
7.4.
Практические рекомендации по проектированию
преобразователей данных ......................................................................... 120
7.4.1.
Разрешающая способность и отношение сигнал – шум ............... 120
7.4.2.
Частота выборки (дискретизации) .................................................. 120
7.4.3.
Диапазон входных и выходных напряжений ................................. 121
7.4.4.
Дифференциальная нелинейность (ДНЛ)...................................... 122
7.4.5.
Интегральная нелинейность (ИНЛ) ............................................... 123
7.5.
Заключение .......................................................................................... 124
Литература ................................................................................................. 125
Глава 8. Проектирование аналогового фильтра ................................................... 126
8.1.
Фильтры защиты от наложения спектров ............................................... 126
8.1.1.
Характеристики пассивных и активных фильтров ........................ 126
8.1.2.
Проектирование пассивного фильтра ............................................ 127
8.1.3.
Проектирование активного фильтра .............................................. 130
8.1.4.
Основы операционного усилителя ................................................. 130
8.1.5.
Связь по постоянному и переменному току ................................... 137
8.1.6.
Проектирование активного фильтра первого порядка .................. 144
8.1.7.
Проектирование активного фильтра второго порядка .................. 150
8.2.
Заключение ......................................................................................... 154
Литература ................................................................................................. 155
Содержание 7
Глава 9. Вопросы проектирования подсистем памяти ......................................... 156
9.1.
Обзор динамической DDR=памяти ......................................................... 156
9.1.1.
Цикл записи динамической памяти ............................................... 157
9.1.2.
Цикл считывания динамической памяти ....................................... 157
9.2.
Целостность сигнала динамической памяти ........................................... 158
9.3.
Пример проектирования системы динамической памяти ..................... 160
Литература .............................................................................................. 162
Глава 10. Планировка топологии печатной платы ............................................... 163
10.1.
Наложение слоев печатных плат ............................................................ 163
10.2.
Микрополосковая и полосковая линии передачи ................................ 165
10.3.
Плоскость изображения .......................................................................... 166
10.4.
Заключение .......................................................................................... 167
Литература ................................................................................................... 168
Глава 11. Электромагнитные помехи (ЭМП) ....................................................... 169
11.1.
Обзор части 15B правил Федеральной комиссии связи (ФКС) ........... 169
11.2.
Основы ЭМП ........................................................................................... 170
11.3.
Цифровые сигналы.................................................................................. 172
11.4.
Токовые контуры ............................................................................... 173
11.5.
Источник питания ................................................................................... 175
11.6.
Линия передачи ................................................................................. 176
11.7.
Плоскости питания и заземления .......................................................... 178
11.8.
Заключение: правила по снижению уровня ЭМИ ................................ 179
Литература ............................................................................................... 180
Список сокращений ................................................................................................. 182
Предметный указатель ............................................................................................ 184
Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦОС
В связи с постоянным увеличением (причем с высокой скоростью) производи
тельности систем ЦОС и их тактовых частот особое значение приобретает борь
ба с шумом и паразитным излучением, а также потребляемая мощность. При
работе на высоких частотах дорожки печатных плат, как проводники сигналов,
выступают в качестве линий передачи и антенн1, которые могут генерировать и
переизлучать сигналы, что вызывает искажения и создает проблемы обеспече
ния технических требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). Это
зачастую создает трудности для выполнения требований класса А и B [1],
предъявляемых Федеральной Комиссией по Связи (США). Проблемы ЭМС
могут усугубляться из за необходимости теплоотвода и охлаждения для реше
ния температурных проблем в проектах высокой значимости. Многие совре
менные системы имеют встроенные беспроводные интерфейсы для локальных
вычислительный сетей (ЛВС) и систем Bluetooth, что создает дополнительные
трудности конструирования, обусловленные необходимостью установки ради
аторов.
В связи с упомянутыми трудностями, традиционный процесс проектирова
ния быстродействующих систем ЦОС подлежит переосмысливанию. При тради
ционном подходе инженеры сосредоточены на аспектах функциональности и
быстродействия разрабатываемых устройств. Шум и излучение, как таковые, рас
сматриваются только на более поздних этапах процесса проектирования, причем
только в случае обнаружения проблем при тестировании прототипа. Однако, в
настоящее время, проблема шума становится все более актуальной, так как более
70% новых конструкций не проходят первичный тест по ЭМС. Таким образом,
эти вопросы необходимо начинать решать уже на самом начальном этапе процес
са проектирования. Потратив небольшое время на использование методов про
ектирования, обеспечивающих более низкие уровни шумов и излучения на на
чальном цикле разработки, мы сделаем проект гораздо более рентабельным за счет
минимизации издержек на завершающих этапах при переработке проекта и пре
дотвращения задержек с поставкой продукции.
1 В отечественной литературе термин «антенна» в большей степени относится к специализированному устройству, предназначенному для излучения или приема электромагнитных волн. В этой книге автор называет антеннами любые излучатели и приемные устройства электромагнитной энергии, которые ответственны за паразитные излучения от участков печатной платы и других проводников. – Примеч. ред.
1.1. Обзор высокоскоростных систем ЦОС 15
1.1. Обзор высокоскоростных систем ЦОС
Типичные системы ЦОС, как например, система, показанная на рис. 1.1, состоят
из большого числа внешних устройств: звукового кодека, видео, жидкокристал
лического (ЖК) дисплея, модуля беспроводной связи (типа, например, Bluetooth,
GPS, UWB и IEEE 802.11), контроллера Ethernet, USB, источника питания, гене
раторов, запоминающих устройств, ОЗУ и вспомогательных цепей. Каждый из
этих компонентов может быть или источником шума, или быть подвержен воз
действию помех, создаваемых соседними компонентами. Следовательно, для ми
нимизации шумов компонент и системы в целом и, соответственно, для удачной
реализации проектного решения необходимо чтобы разработчик имел хороший
опыт проектирования быстродействующих систем.
HDMI
RGB888/
YUV422
GMII
RGB888
Порт USB1
Порт USB2
WLAN
SDIO
EMIF
McASPs
WLAN/
UWB
PCI
GPS
GMII
Ethernet
Ethernet
УАПП
SPI
PCI SPI
Ядро
Камера
высокого
разрешения
Приемный модуль
с мультимедийным
интерфейсом
высокого
разрешения
Протокол
физического уровня
Gigabit Ethernet
Протокол
физического уровня
Gigabit Ethernet
GMII – гигабитный интерфейс, независимый от среды передачи данных
EMIF – интерфейс с внешней памятью
WLAN/UWB – беспроводная ЛВС/сверхширокополосная связь
McASPs – последовательные порты многоканальной аудиосистемы
PCI – локальная шина соединения периферийных устройств
ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты
SPI – последовательный интерфейс
SDIO – безопасные цифровые каналы ввода(вывода
УАПП – универсальный асинхронный приемопередатчик
GPS – модуль глобальной системы позиционирования
Флэш(память
NOR или NAND
Набор
микрофонов
Питание
Аудио
кодеки
Источник
питания
ДОЗУ
Видео(
вход
Видео(
выход
Аудио(
вход/
аудио(
выход
Устройства
ввода(
вывода
(УВВ)
систем
связи
Система ЦОС/
система
на кристалле (СнК)
Ввод(вывод/
ДОЗУ
ФАПЧ
Панель
высокого
разрешения
Дисплей
высокого
разрешения
Сенсорный
экран
ПЗУ
Генератор
Рис. 1.1. Типичная система ЦОС
Связь между источником шума и его «жертвой» вызывает электрический шум.
Рис. 1.2 показывает типичный путь распространения шумов. Источником шума,
как правило, является быстро коммутируемый сигнал, а объектом воздействия
шума – компонента несущая сигнал. Шум будет влиять на рабочую характерис
тику компоненты, подверженной воздействию шума. Связь обеспечивается че
рез паразитные емкости и взаимные индуктивности соседних сигнальных це
16 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
пей. Электромагнитное взаимодействие возникает, когда сигнальные тракты
выступают в роли эффективных антенн, излучения которых создают помехи
смежным цепям.
Источник
шума Канал связи
Объект
воздействия
шума
1 Автор использует здесь термин «согласование» в более широком смысле, чем это принято в отечественной технической литературе. В России под этим обычно понимается согла
сование комплексных импедансов по входу и выходу. Автор называет согласованием и
выбор правильной нагрузки устройств и линий передачи. – Примеч. ред.
Рис. 1.2. Типичный путь прохождения шума
В электронной системе существует много механизмов генерации шума. Внешние и внутренние цепи синхронизации систем ЦОС, как правило, имеют очень
высокие частоты переключения, являясь главным источником высокочастотных
помех. Из за неправильного согласования1 и подключения сигнальных шин могут возникать отражения и искажения сигнала. Помимо этого, в результате неправильной маршрутизации сигнала, заземления и развязки источника питания
могут возникать существенные фоновые помехи, перекрестные помехи и паразитные колебания. Шумы могут также возникать и в самих полупроводниках [2]:
• Тепловой шум. Известен также как шум Джонсона, присутствует во всех резисторах и обусловлен хаотичным тепловым движением электронов. При
проектировании аудио и видео систем тепловой шум может быть минимизирован за счет обеспечения максимально низкого сопротивления соответствующих резисторов, что необходимо для улучшения отношения сигнал–
шум (ОСШ).
• Дробовой шум. Обусловлен хаотическим прохождением зарядов через вентили диодов и транзисторов. Этот шум обратно пропорционален величине постоянного тока, текущего через диод или транзистор, в связи с чем более высокое значение отношения сигнал–шум соответствует более высоким значениям постоянного рабочего тока. Дробовой шум может играть большую роль,
когда система ЦОС включает сигнальные тракты с большим числом аналоговых дискретных устройств, например, видео или аудио усилители.
• Фликкер шум. Также известен как 1/f шум, наблюдается во всех активных
элементах. Он обусловлен ловушками, когда преграды для заряда хаотически
захватывают и высвобождают заряды, вызывая случайные флуктуации тока.
Поскольку фликкер шум сопутствует любому процессу полупроводниковой технологии, методы проектирования систем ЦОС не располагают возможностями полного его устранения и должны фокусироваться на снижении его воздействия.
• Импульсный и лавинный шум. Импульсный шум также известен как «попкорн» шум и он вызван наличием ионных примесей. Лавинный шум наблюдается в режиме пробоя. Следует еще раз отметить, что эти типы шума
связаны с технологическим процессом обработки полупроводников, а не с
методами проектирования систем. Так как мощность излучаемой в пространство электромагнитной энергии регламентируется, поэтому разработчики систем ЦОС должны быть озабочены потенциальной возможностью излучения помех в окружающее пространство. Главными источниками излучения являются цифровые сигналы, проходящие по соответствующим трактам, наличие областей контуров обратного тока, недостаточная фильтрация или развязка источника питания, воздействие со стороны линий передачи и отсутствие возвратных и заземляющих слоев печатной платы. Важно отметить, что на гигагерцовых частотах теплоотводы и конструктивные
резонансы могут усиливать излучение.
Несмотря на невозможность полного устранения шума в системах ЦОС, он
может быть уменьшен до такой степени, чтобы не оказывать существенного влияния на другие цепи системы. Существует три способа борьбы с шумом: его подавление в самом источнике, обеспечение нечувствительности к нему соседних
цепей и устранение паразитной связи каналов. Методы проектирования быстродействующих систем могут быть использованы для уменьшения как шума компонентов, так и системного шума, что повышает вероятность удачного проектного
решения. В этой книге рассматриваются все три перечисленных метода борьбы
путем выработки рекомендаций, которые могут использоваться на самом начальном этапе процесса проектирования для снижения шума и излучения до приемлемых уровней в процессе поиска и устранения неисправностей. Примеры чувствительных к помехам интерфейсов, показанные ниже, ориентированы на аудио
и видео системы, устройства памяти и источники питания. Рабочие характерисики этих систем очень сильно зависят от окружающих цепей ЦОС, а также от
того, каким образом эти цепи связаны со схемой ЦОС.
1.2. Проблемы систем цифровой обработки аудиосигнала
Одной из наиболее значимых проблем ЦОС при проектировании быстродействующих аудиосистем является является то, что относительно небольшие уровни
шума в них зачастую заметно влияют на рабочие характеристики конечного устройства. При осуществлении звукозаписи и ее воспроизведения качество звучания зависит от качества используемого аудио кодека, шума источника питания,
компоновки аудиоплаты и уровня перекрестных помех между соседними цепями.
Кроме того, во избежание нежелательных звуковых потрескиваний и пощелкиваний при звукозаписи и воспроизведении должна быть обеспечена очень хорошая
стабильность частоты дискретизации. На рис. 1.3 показана типичная сигнальная
цепь системы ЦОС для аудио тракта. В большинстве систем ЦОС для интерфейса
с внешними аудио кодеками используется многоканальный последовательный
18 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
порт с буферизацией данных (McBSP [3]). Несмотря на то, что данный интерфейс
является специализированным, он легко конфигурируется для работы с аудио
кодеками промышленного стандарта I2S.
Так как все показанные на рис. 1.3 блоки в направлении от АЦП к усилительному каскаду очень чувствительны к помехам, то распространение любой помехи, связанной с любым из блоков, приведет к нежелательных звуковым эффектам. Типичными при проектировании аудио систем являются проблемы из-за:
• шума, связанного с микрофонным входом. Так как вход микрофона, как
правило, характеризуется очень высокой чувствительностью (+20 дБ), то
даже небольшой уровень шума может привести к появлению акустических
эффектов;
• отсутствия на аудиовходах фильтрации от наложения спектров;
• чрезмерного искажения, обусловленного каскадом усиления и амплитудным рассогласованием;
• чрезмерного джиттера (неустойчивости) звуковых синхроимпульсов, разрядных синхронизирующих и главных тактовых импульсов;
• отсутствия хорошей развязки и шумовой изоляции;
• отсутствия стабилизации напряжения источника питания c высокой режекцией помех, создаваемых аудио кодеком;
• отсутствия хороших развязывающих конденсаторов по опорному напряжению, используемых для АЦП и ЦАП;
• шума переключения импульсного источника питания, связанного с аудио
цепями;
• размещения аудио трактов c высоким импедансом в непосредственной близости от шумящих переключающих схем и отсутствия в разводке печатной
платы кратчайшего пути для обратного тока с целью минимизации обратной связи по току между системой ЦОС и кодеком;
• отсутствия изолированного заземления для аналоговых и цифровых цепей.
В конечном счете, для звука хорошего качества необходимо правильное проектирование всех АЦП, ЦАП, интерфейсов систем ЦОС, тактовых генераторов,
входных/выходных фильтров, источников питания и схем выходных усилителей.
Рабочие характеристики всех этих устройств зависят не только от качества проектирования цепей, но также от развязки по земле и питанию, а также от маршрутизации дорожек печатной платы.
Акустическая
система
Вход
микрофона
Вход CD/DVD
Аналогово(
цифровой
преобра(
зователь
(АЦП)
Система
ЦОС
Цифро(
аналоговый
преобра(
зователь
(ЦАП)
Аудио(
усили(
тель
Рис. 1.3. Аудио система ЦОС
1.3. Проблемы систем цифровой обработки видеосигнала
Обработка видеоинформации является другой важной областью применения систем ЦОС, которые очень чувствительны к помехам и излучению. Одна из главных проблем проектирования видеосистем состоит в необходимости обеспечения устранения таких артефактов видеоизображения, как искажение цвета, фоновый шум сетевой частоты, видимые высокочастотные помехи, обусловленных
работой быстродействующих шин, биением звука и т.д. Все они обычно связаны с
неправильным проектированием видеоплаты и с неправильной ее разводкой.
Например, помехи от источника питания могут попасть на видеовыход ЦАП, звуковоспроизведение может привести к возникновению переходных процессов в
источнике питания, а высокочастотное излучение может навести в тюнере помехи по цепям обратной связи. Ниже приведены характерные проблемы, связанные
с помехами по видеосигналу:
• нарушение целостности сигнала, наличие резких перепадов (вверх и вниз)
по цепям горизонтальной и вертикальной синхронизации, частоты пикселизации, вызванные неправильным подключением сигнальной нагрузки;
• чрезмерный уровень излучения от таких быстродействующих шин, как PCI,
параллельных видеопортов (BT.1120, BT.656) и устройств DDR;
• сильный джиттер в кодере, декодере и в каскадах тактовой частоты пикселизации вызывает проблемы детектирования цветовой информации. Например, формирование только черно белого изображения на цветном экране;
• недостаточное сопротивление нагрузки видеосистемы вызывает искажение
видеоизображения. На входе видеодекодера и на выходе видеокодера должен использоваться 75 омный согласующий резистор;
• воспроизведение звука может привести к мерцанию видеоизображения на
экране. Это может быть исправлено за счет дополнительного экранирования видео- и аудио цепей. Наилучшим методом является использование
линейных стабилизаторов, обеспечивающих подавление пульсаций источников питания высокой мощности аудио кодека и видео кодера/декодера.
Кроме того, для уменьшения перекрестных и других помех можно вручную
трассировать критические цепи с любыми коммутируемыми сигналами;
• изолированное заземление для аналоговых сигналов без специализированной цепи возврата сигнала. Важно помнить, что для низкоскоростного сигнала, то есть на частоте ниже 10 МГц, ток возвращается через наи
меньшее сопротивление, что, как правило, соответствует самому короткому пути. С другой стороны, высокоскоростной ток возвращается через
наименьшую индуктивность, обычно под сигнальной дорожкой.
На рис. 1.4 показана типичная цифровая видеосистема высокого разрешения,
обеспечивающая захват, обработку и затем воспроизведение изображения на основе аналоговых и цифровых видеосигналов высокого и стандартного разрешения. Качество «картинки» дисплея определяется качеством тракта прохождения
20 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
этого видеосигнала, что, в особенности, касается входных и выходных видеокаскадов. В связи с критическим значением методов проектирования и разводки систем для уменьшения негативного воздействия коммутационных и взаимных помех, а также переходных процессов в источниках питания, обеспечивающих уменьшение или устранение артефактов видеоизображения, необходимо руководствоваться правилами проектирования быстродействующих систем, рассматриваемых
в этой книге. В этой системе такие цифровые видео входы и выходы, как мультимедийный интерфейс высокого разрешения (HDMI), цифровой видеоинтерфейс
(DVI) и порт дисплея (DP) очень чувствительны к помехам системы, обусловленным эффектом джиттера, увеличивающим частоту двоичных ошибок. Хорошие
методы проектирования уменьшают риск ухудшения рабочих характеристик любой электронной системы, хотя полное устранение помех невозможно в принципе. Любая цифровая видеосистема высокого разрешения насчитывает множество
быстродействующих шин, работающих на частоте 66 МГц или выше, которые создают широкополосные помехи и гармоники, вызывающие паразитное электромагнитное излучение в гигагерцовом диапазоне. С помехами такого типа очень
сложно бороться ввиду наличия в плате большого количества шин, и задача согласования каждого сигнального тракта, трассируемого от одной точки к другой,
является очень непрактичной. Хорошо, что существуют правильные методы проектирования, следуя которым, можно минимизировать помехи.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦОС
В связи с постоянным увеличением (причем с высокой скоростью) производи
тельности систем ЦОС и их тактовых частот особое значение приобретает борь
ба с шумом и паразитным излучением, а также потребляемая мощность. При
работе на высоких частотах дорожки печатных плат, как проводники сигналов,
выступают в качестве линий передачи и антенн1, которые могут генерировать и
переизлучать сигналы, что вызывает искажения и создает проблемы обеспече
ния технических требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). Это
зачастую создает трудности для выполнения требований класса А и B [1],
предъявляемых Федеральной Комиссией по Связи (США). Проблемы ЭМС
могут усугубляться из за необходимости теплоотвода и охлаждения для реше
ния температурных проблем в проектах высокой значимости. Многие совре
менные системы имеют встроенные беспроводные интерфейсы для локальных
вычислительный сетей (ЛВС) и систем Bluetooth, что создает дополнительные
трудности конструирования, обусловленные необходимостью установки ради
аторов.
В связи с упомянутыми трудностями, традиционный процесс проектирова
ния быстродействующих систем ЦОС подлежит переосмысливанию. При тради
ционном подходе инженеры сосредоточены на аспектах функциональности и
быстродействия разрабатываемых устройств. Шум и излучение, как таковые, рас
сматриваются только на более поздних этапах процесса проектирования, причем
только в случае обнаружения проблем при тестировании прототипа. Однако, в
настоящее время, проблема шума становится все более актуальной, так как более
70% новых конструкций не проходят первичный тест по ЭМС. Таким образом,
эти вопросы необходимо начинать решать уже на самом начальном этапе процес
са проектирования. Потратив небольшое время на использование методов про
ектирования, обеспечивающих более низкие уровни шумов и излучения на на
чальном цикле разработки, мы сделаем проект гораздо более рентабельным за счет
минимизации издержек на завершающих этапах при переработке проекта и пре
дотвращения задержек с поставкой продукции.
1 В отечественной литературе термин «антенна» в большей степени относится к специализированному устройству, предназначенному для излучения или приема электромагнитных волн. В этой книге автор называет антеннами любые излучатели и приемные устройства электромагнитной энергии, которые ответственны за паразитные излучения от участков печатной платы и других проводников. – Примеч. ред.
1.1. Обзор высокоскоростных систем ЦОС 15
1.1. Обзор высокоскоростных систем ЦОС
Типичные системы ЦОС, как например, система, показанная на рис. 1.1, состоят
из большого числа внешних устройств: звукового кодека, видео, жидкокристал
лического (ЖК) дисплея, модуля беспроводной связи (типа, например, Bluetooth,
GPS, UWB и IEEE 802.11), контроллера Ethernet, USB, источника питания, гене
раторов, запоминающих устройств, ОЗУ и вспомогательных цепей. Каждый из
этих компонентов может быть или источником шума, или быть подвержен воз
действию помех, создаваемых соседними компонентами. Следовательно, для ми
нимизации шумов компонент и системы в целом и, соответственно, для удачной
реализации проектного решения необходимо чтобы разработчик имел хороший
опыт проектирования быстродействующих систем.
HDMI
RGB888/
YUV422
GMII
RGB888
Порт USB1
Порт USB2
WLAN
SDIO
EMIF
McASPs
WLAN/
UWB
PCI
GPS
GMII
Ethernet
Ethernet
УАПП
SPI
PCI SPI
Ядро
Камера
высокого
разрешения
Приемный модуль
с мультимедийным
интерфейсом
высокого
разрешения
Протокол
физического уровня
Gigabit Ethernet
Протокол
физического уровня
Gigabit Ethernet
GMII – гигабитный интерфейс, независимый от среды передачи данных
EMIF – интерфейс с внешней памятью
WLAN/UWB – беспроводная ЛВС/сверхширокополосная связь
McASPs – последовательные порты многоканальной аудиосистемы
PCI – локальная шина соединения периферийных устройств
ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты
SPI – последовательный интерфейс
SDIO – безопасные цифровые каналы ввода(вывода
УАПП – универсальный асинхронный приемопередатчик
GPS – модуль глобальной системы позиционирования
Флэш(память
NOR или NAND
Набор
микрофонов
Питание
Аудио
кодеки
Источник
питания
ДОЗУ
Видео(
вход
Видео(
выход
Аудио(
вход/
аудио(
выход
Устройства
ввода(
вывода
(УВВ)
систем
связи
Система ЦОС/
система
на кристалле (СнК)
Ввод(вывод/
ДОЗУ
ФАПЧ
Панель
высокого
разрешения
Дисплей
высокого
разрешения
Сенсорный
экран
ПЗУ
Генератор
Рис. 1.1. Типичная система ЦОС
Связь между источником шума и его «жертвой» вызывает электрический шум.
Рис. 1.2 показывает типичный путь распространения шумов. Источником шума,
как правило, является быстро коммутируемый сигнал, а объектом воздействия
шума – компонента несущая сигнал. Шум будет влиять на рабочую характерис
тику компоненты, подверженной воздействию шума. Связь обеспечивается че
рез паразитные емкости и взаимные индуктивности соседних сигнальных це
16 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
пей. Электромагнитное взаимодействие возникает, когда сигнальные тракты
выступают в роли эффективных антенн, излучения которых создают помехи
смежным цепям.
Источник
шума Канал связи
Объект
воздействия
шума
1 Автор использует здесь термин «согласование» в более широком смысле, чем это принято в отечественной технической литературе. В России под этим обычно понимается согла
сование комплексных импедансов по входу и выходу. Автор называет согласованием и
выбор правильной нагрузки устройств и линий передачи. – Примеч. ред.
Рис. 1.2. Типичный путь прохождения шума
В электронной системе существует много механизмов генерации шума. Внешние и внутренние цепи синхронизации систем ЦОС, как правило, имеют очень
высокие частоты переключения, являясь главным источником высокочастотных
помех. Из за неправильного согласования1 и подключения сигнальных шин могут возникать отражения и искажения сигнала. Помимо этого, в результате неправильной маршрутизации сигнала, заземления и развязки источника питания
могут возникать существенные фоновые помехи, перекрестные помехи и паразитные колебания. Шумы могут также возникать и в самих полупроводниках [2]:
• Тепловой шум. Известен также как шум Джонсона, присутствует во всех резисторах и обусловлен хаотичным тепловым движением электронов. При
проектировании аудио и видео систем тепловой шум может быть минимизирован за счет обеспечения максимально низкого сопротивления соответствующих резисторов, что необходимо для улучшения отношения сигнал–
шум (ОСШ).
• Дробовой шум. Обусловлен хаотическим прохождением зарядов через вентили диодов и транзисторов. Этот шум обратно пропорционален величине постоянного тока, текущего через диод или транзистор, в связи с чем более высокое значение отношения сигнал–шум соответствует более высоким значениям постоянного рабочего тока. Дробовой шум может играть большую роль,
когда система ЦОС включает сигнальные тракты с большим числом аналоговых дискретных устройств, например, видео или аудио усилители.
• Фликкер шум. Также известен как 1/f шум, наблюдается во всех активных
элементах. Он обусловлен ловушками, когда преграды для заряда хаотически
захватывают и высвобождают заряды, вызывая случайные флуктуации тока.
Поскольку фликкер шум сопутствует любому процессу полупроводниковой технологии, методы проектирования систем ЦОС не располагают возможностями полного его устранения и должны фокусироваться на снижении его воздействия.
• Импульсный и лавинный шум. Импульсный шум также известен как «попкорн» шум и он вызван наличием ионных примесей. Лавинный шум наблюдается в режиме пробоя. Следует еще раз отметить, что эти типы шума
связаны с технологическим процессом обработки полупроводников, а не с
методами проектирования систем. Так как мощность излучаемой в пространство электромагнитной энергии регламентируется, поэтому разработчики систем ЦОС должны быть озабочены потенциальной возможностью излучения помех в окружающее пространство. Главными источниками излучения являются цифровые сигналы, проходящие по соответствующим трактам, наличие областей контуров обратного тока, недостаточная фильтрация или развязка источника питания, воздействие со стороны линий передачи и отсутствие возвратных и заземляющих слоев печатной платы. Важно отметить, что на гигагерцовых частотах теплоотводы и конструктивные
резонансы могут усиливать излучение.
Несмотря на невозможность полного устранения шума в системах ЦОС, он
может быть уменьшен до такой степени, чтобы не оказывать существенного влияния на другие цепи системы. Существует три способа борьбы с шумом: его подавление в самом источнике, обеспечение нечувствительности к нему соседних
цепей и устранение паразитной связи каналов. Методы проектирования быстродействующих систем могут быть использованы для уменьшения как шума компонентов, так и системного шума, что повышает вероятность удачного проектного
решения. В этой книге рассматриваются все три перечисленных метода борьбы
путем выработки рекомендаций, которые могут использоваться на самом начальном этапе процесса проектирования для снижения шума и излучения до приемлемых уровней в процессе поиска и устранения неисправностей. Примеры чувствительных к помехам интерфейсов, показанные ниже, ориентированы на аудио
и видео системы, устройства памяти и источники питания. Рабочие характерисики этих систем очень сильно зависят от окружающих цепей ЦОС, а также от
того, каким образом эти цепи связаны со схемой ЦОС.
1.2. Проблемы систем цифровой обработки аудиосигнала
Одной из наиболее значимых проблем ЦОС при проектировании быстродействующих аудиосистем является является то, что относительно небольшие уровни
шума в них зачастую заметно влияют на рабочие характеристики конечного устройства. При осуществлении звукозаписи и ее воспроизведения качество звучания зависит от качества используемого аудио кодека, шума источника питания,
компоновки аудиоплаты и уровня перекрестных помех между соседними цепями.
Кроме того, во избежание нежелательных звуковых потрескиваний и пощелкиваний при звукозаписи и воспроизведении должна быть обеспечена очень хорошая
стабильность частоты дискретизации. На рис. 1.3 показана типичная сигнальная
цепь системы ЦОС для аудио тракта. В большинстве систем ЦОС для интерфейса
с внешними аудио кодеками используется многоканальный последовательный
18 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
порт с буферизацией данных (McBSP [3]). Несмотря на то, что данный интерфейс
является специализированным, он легко конфигурируется для работы с аудио
кодеками промышленного стандарта I2S.
Так как все показанные на рис. 1.3 блоки в направлении от АЦП к усилительному каскаду очень чувствительны к помехам, то распространение любой помехи, связанной с любым из блоков, приведет к нежелательных звуковым эффектам. Типичными при проектировании аудио систем являются проблемы из-за:
• шума, связанного с микрофонным входом. Так как вход микрофона, как
правило, характеризуется очень высокой чувствительностью (+20 дБ), то
даже небольшой уровень шума может привести к появлению акустических
эффектов;
• отсутствия на аудиовходах фильтрации от наложения спектров;
• чрезмерного искажения, обусловленного каскадом усиления и амплитудным рассогласованием;
• чрезмерного джиттера (неустойчивости) звуковых синхроимпульсов, разрядных синхронизирующих и главных тактовых импульсов;
• отсутствия хорошей развязки и шумовой изоляции;
• отсутствия стабилизации напряжения источника питания c высокой режекцией помех, создаваемых аудио кодеком;
• отсутствия хороших развязывающих конденсаторов по опорному напряжению, используемых для АЦП и ЦАП;
• шума переключения импульсного источника питания, связанного с аудио
цепями;
• размещения аудио трактов c высоким импедансом в непосредственной близости от шумящих переключающих схем и отсутствия в разводке печатной
платы кратчайшего пути для обратного тока с целью минимизации обратной связи по току между системой ЦОС и кодеком;
• отсутствия изолированного заземления для аналоговых и цифровых цепей.
В конечном счете, для звука хорошего качества необходимо правильное проектирование всех АЦП, ЦАП, интерфейсов систем ЦОС, тактовых генераторов,
входных/выходных фильтров, источников питания и схем выходных усилителей.
Рабочие характеристики всех этих устройств зависят не только от качества проектирования цепей, но также от развязки по земле и питанию, а также от маршрутизации дорожек печатной платы.
Акустическая
система
Вход
микрофона
Вход CD/DVD
Аналогово(
цифровой
преобра(
зователь
(АЦП)
Система
ЦОС
Цифро(
аналоговый
преобра(
зователь
(ЦАП)
Аудио(
усили(
тель
Рис. 1.3. Аудио система ЦОС
1.3. Проблемы систем цифровой обработки видеосигнала
Обработка видеоинформации является другой важной областью применения систем ЦОС, которые очень чувствительны к помехам и излучению. Одна из главных проблем проектирования видеосистем состоит в необходимости обеспечения устранения таких артефактов видеоизображения, как искажение цвета, фоновый шум сетевой частоты, видимые высокочастотные помехи, обусловленных
работой быстродействующих шин, биением звука и т.д. Все они обычно связаны с
неправильным проектированием видеоплаты и с неправильной ее разводкой.
Например, помехи от источника питания могут попасть на видеовыход ЦАП, звуковоспроизведение может привести к возникновению переходных процессов в
источнике питания, а высокочастотное излучение может навести в тюнере помехи по цепям обратной связи. Ниже приведены характерные проблемы, связанные
с помехами по видеосигналу:
• нарушение целостности сигнала, наличие резких перепадов (вверх и вниз)
по цепям горизонтальной и вертикальной синхронизации, частоты пикселизации, вызванные неправильным подключением сигнальной нагрузки;
• чрезмерный уровень излучения от таких быстродействующих шин, как PCI,
параллельных видеопортов (BT.1120, BT.656) и устройств DDR;
• сильный джиттер в кодере, декодере и в каскадах тактовой частоты пикселизации вызывает проблемы детектирования цветовой информации. Например, формирование только черно белого изображения на цветном экране;
• недостаточное сопротивление нагрузки видеосистемы вызывает искажение
видеоизображения. На входе видеодекодера и на выходе видеокодера должен использоваться 75 омный согласующий резистор;
• воспроизведение звука может привести к мерцанию видеоизображения на
экране. Это может быть исправлено за счет дополнительного экранирования видео- и аудио цепей. Наилучшим методом является использование
линейных стабилизаторов, обеспечивающих подавление пульсаций источников питания высокой мощности аудио кодека и видео кодера/декодера.
Кроме того, для уменьшения перекрестных и других помех можно вручную
трассировать критические цепи с любыми коммутируемыми сигналами;
• изолированное заземление для аналоговых сигналов без специализированной цепи возврата сигнала. Важно помнить, что для низкоскоростного сигнала, то есть на частоте ниже 10 МГц, ток возвращается через наи
меньшее сопротивление, что, как правило, соответствует самому короткому пути. С другой стороны, высокоскоростной ток возвращается через
наименьшую индуктивность, обычно под сигнальной дорожкой.
На рис. 1.4 показана типичная цифровая видеосистема высокого разрешения,
обеспечивающая захват, обработку и затем воспроизведение изображения на основе аналоговых и цифровых видеосигналов высокого и стандартного разрешения. Качество «картинки» дисплея определяется качеством тракта прохождения
20 Глава 1. Проблемы проектирования систем ЦОС
этого видеосигнала, что, в особенности, касается входных и выходных видеокаскадов. В связи с критическим значением методов проектирования и разводки систем для уменьшения негативного воздействия коммутационных и взаимных помех, а также переходных процессов в источниках питания, обеспечивающих уменьшение или устранение артефактов видеоизображения, необходимо руководствоваться правилами проектирования быстродействующих систем, рассматриваемых
в этой книге. В этой системе такие цифровые видео входы и выходы, как мультимедийный интерфейс высокого разрешения (HDMI), цифровой видеоинтерфейс
(DVI) и порт дисплея (DP) очень чувствительны к помехам системы, обусловленным эффектом джиттера, увеличивающим частоту двоичных ошибок. Хорошие
методы проектирования уменьшают риск ухудшения рабочих характеристик любой электронной системы, хотя полное устранение помех невозможно в принципе. Любая цифровая видеосистема высокого разрешения насчитывает множество
быстродействующих шин, работающих на частоте 66 МГц или выше, которые создают широкополосные помехи и гармоники, вызывающие паразитное электромагнитное излучение в гигагерцовом диапазоне. С помехами такого типа очень
сложно бороться ввиду наличия в плате большого количества шин, и задача согласования каждого сигнального тракта, трассируемого от одной точки к другой,
является очень непрактичной. Хорошо, что существуют правильные методы проектирования, следуя которым, можно минимизировать помехи.