במערכות רכישת נתונים – acquisition systems data של היום, גבולות הביצועים מרוחקים בהתמדה. מתכנני מערכות דורשים מהירות גבוהה יותר, רעש נמוך וביצועי עיוות הרמוני (total harmonic distortion) טובים יותר; כל אלה אפשריים אך אף אחד מהם איננו חופשי. שיפורי ביצועים אלה מופיעים אופיינית על חשבון זרמי הפעלה גבוהים יותר, אשר בעצמם גורמים לעיוות הספק גבוה יותר. אולם, ביישומים רבים, הרגישות לצריכת ההספק היא גם בעיה הגוברת בהתמדה.
הסיבות שונות. יכולה להיות מערכת רחוקת הפעלת הפועלת מסוללת מטבע שם הדאגה העיקרית היא חיי הסוללה, או אולי מערכת רב-ערוצית בה ריכוז החום ממספר הערוצים הגבוה והצפיפות הגבוהה של המעגל יכולים להתחבר לבעיות סחיפה הנגרמת מהטמפרטורה. בכל מקרה, מזעור צריכת הזרם ופיזור ההספק הם בעלי חשיבות מרובה. מתכננן המערכת צריך ליצור מאזן בין העדיפויות המתחרות של ביצועים גבוהים יותר וצריכת הספק נמוכה יותר. נתיב אחד אל הפיתרון הוא דרך תהליך המכונה דירוג הספק דינאמי (dynamic power scaling –DPS).
מה זה?
במילים פשוטות, DPS הוא התהליך המזכה רכיב אלקטרוני כאשר הוא דרוש וניתוקו כאשר לא דרוש. איור 1 מראה תת-מערכת לרכישת נתונים מבוססת על ADC SAR אופייני. אחת התכונות העיקריות של ה-ADC SAR הוא שההספק שלו מושפע מקצב התפוקה, דבר העושה אותו לאופציה מאוד אטרקטיבית עבור יישומים רגישים להספק.
היסטורית, דרייבר ה-ADC וחוצץ הייחוס לא התחלקו בדירוג ההספק האוטומטי ממנו נהנה ה-SAR. הם נדלקים ומאפשרים פעולה אופיינית בכל עת שהמערכת פועלת, וצורכת בכך הספק מיותר. בהנחה של זמן תיחול מספיק מהיר, פין ההספק המורד של המגבר יכול להיות מוזן דינאמית כדי לנתק את המגבר בין ההמרות של ה-ADC. זהו דירוג הספק דינאמי (dynamic power scaling – DPS).
על-ידי הפעלת ה-DPS על המגבר ניתן להקטין בהרבה את צריכת הזרם הממוצעת. עם ה-DPS זרם הריקם של המגבר הוא פונקציה של מחזור הפעולה בו פין ההספק הנמוך מוזן.
זרם הריקם הממוצע התיאורטי ניתן על-ידי
כאשר
IAVG is the average DPS quiescent current
IQ_ON is the quiescent current of the amplifier enabled
IQ_OFF is the quiescent current of the amplifier disabled
tON is the time the amplifier is enabled
tS is the sampling frequency period
אנחנו משתמשים במגבר ההזנה ADC בתור הדוגמה שלנו, אך מושגי DPS אלה יכולים לשמש לחוצץ הייחוס עם תוצאות דומות.
יעילות
איור 1. דיאגרמה מלבנית של תת-מערכת לרכישת נתונים
מבוססת SAR ADC
איור 2 מראה את שיפורי היעילות התיאורטית בהספק הריקם של המגבר האפשריים דרך DPS עבור שילוב של מגבר 16-18 ביט SAR-ADC. בדוגמה גנרית זו קו הייחוס האופקי ב-100% מייצג את צריכת ההספק של מגבר ההזנה ADC כאשר הוא מופעל בקביעות. קו הייחוס האנכי ב-fR מייצג את תדר הדגימה בו צריכת ההספק של ה-ADC משתווה לזה של המגבר המזין המופעל בהתמדה.
בקצבי דגימה נמוכים יותר המגבר שולט בצריכת ההספק ובקצבי, ואילו בקצבי דגימה גבוהים יותר ה-ADC שולט. תדר הייחוס (fR) ישתנה בתלות בצריכת ההספק של המגבר וה-ADC הנבחר אך המושג הבסיסי נשאר שווה. שיפורי היעילות היחסיים מוצגים עבור אותו מגבר שהוא מדורג בהספק מוצגים עבור שלושה ערכים שונים של tON. כצפוי tON קצר יותר גורם ליעילות גדולה יותר בקצב דגימה נתון ומאפשר את השימוש ב-DPS בקצבי דגימה גבוהים יותר.
האזור המוצל מראה השיפור הגדול ביותר עבור האזור בעל הקיצור הגודל של tON מתרחב ככלל כלפי מטה בערך כעשור מתחת ל-fR. כאשר קצב הדגימה מוסיף לרדת מתחת לנקודה זו, מוגשמים החסכונות הכוללים הגדולים ביותר של ההספק, אך היתרון הנוסף של קיצור נוסף של tON הוא זניח בשעה שצריכת ההספק מתקרבת אסימפטוטית לזו של ההספק המכובה או המצב המנותק. כדי להשיג ביצועים מיוטבים עם ה-DPS, תזמון המערכת וקביעת ה-tON המזערי הם קריטיים.
איור 3 מראה דיאגרמת תזמון מפושטת של ה-ADC ומגבר ההזנה. גוש תזמון המערכת (FPGA ,DSP, בקר, וכו’) מאיור 1 מספק את אותות התחלת המרת ה-ADC () ואותות ניתוק המגבר (power down – PD). ה-ADC SAR יוזם המרה בקצה העולה של ה-CNV. המגבר מוזן במהלך שלב הרכישה של ה-ADC עבור תקופת זמן מסוימת (tON) לפני הקמה העולה של ה-CNV, והוא מוזן סינכרונית עם הקצה העולה של ה-CNV. אך מהי תקופת הזמן הנכונה עבור tON?
איור 2. צריכת ההספק התיאורטית של המגבר עבור
DPS ב- tON )ביחס למגבר המופעל בקביעות(
בעוד איור 2 מראה את המושג תוך שימוש בזמנים שרירותיים כלשהו, ברור שהוא מראה שהערך המלא ב-DPS יושג רק כאשר ה-tON המזערי משמש. זהו הזמן המזערי עבורו יש לתפעל את המגבר לפני המרת ה-ADC כדי להבטיח תוצאה מדויקת. כל זמן קצר מזה יגרום לסחף של ה-SNR או THD בעוד כל זמן ארוך יותר לא יגרום לכשל שיפור בביצועים. למעשה ה-tON איננו קבוע לאורך קצבי דגימה שיש לקבוע אותו אמפירית עבור היישום הייחודי. ה-tON המזערי ישתנה ממגבר למגבר וממערכת למערכת.
לדוגמה, שימוש בשילוב מדבר/ADC של ה-ADA4805 וה-AD7980 במעגל שבאיור 3, ה-tON המזערי יורד עם עליית קצב הדגימה, ודורש אופיינית ~4 us ב-1 ksps ורק ~600 ns ב-1 Msps. בקצבי דגימה נמוכים המחזור הארוך מעניק יותר זמן עבור צמתי מגבר פנימי לפריקה בששל הזמן המוגדל במצב של הספק נמוך, וכתוצאה זמן הפעלה ארוך יותר.
לעומת זאת, המחזור הקצר יותר של קצבי דגימה גבוהים יותר אינו מאפשר הרבה פריקה פנימית. למעשה, כאשר קצב הדגימה עולה זמן הניתוק הסופי של המגבר יהיה ארוך יותר מאשר הזמן המושקע במצב הניתוק. למעשה, המגבר מופעל מחדש לפני שהוא סיים להיכבות. דבר זה מעניק תופעה של זמן הדלקה מהיר בצורה מלאכותית אך הוא מאומת כאשר נתוני הביצועים אינם מציגים הפחתה.
תדר אות המבוא
איור 3. דיאגרמת תזמון מפושטת עבור אותות בקרה של המגבר וה- AD
נקודה סופית שיש להביא בחשבון כאשר מנבאים חסכונות הספק פוטנציאליים היא ההשפעה של תדר אות המבוא. עד כה המושג של DPS הוצג תוך שימוש בזרם הסרק המחושב של מגבר נתון. אם אות מופעל על מבוא המגבר, יהיה גם זרם דינאמי העולה עם תדר אות המבוא. אם תדר המבוא הוא די נמוך, התוצאה תהיה ללא השפעות. כאשר התדר עולה רשת ה-RC במוצא המגבר מציגה עומס כבד יותר, ותדרוש יותר זרם מהמגבר כדי לעבד את האות.
שימוש ב-ADA4805-1 ו-AD7980 שצוינו לעיל ואיחוד הכל ביחד יוצר את העקומות באיור 4. איור זה מראה את צריכת ההספק, באחוזים, של מגבר ההזנה של ה-ADC המדורג דינמית בהספק ביחס לאותו המגבר המחובר בקביעות. יעילות ה-DPS מוצגת עבור תדרי מבוא מובחרים כדי להציג את ההשפעה של תדרי מבוא גבוהות יותר על צריכת ההספק. ה- tON המזערי נקבע עבור קצבי דגימה מרובים מ-1ksps עד 1 Msps ומוגדר כ-tON הקצר ביותר היוצר סחיפה <0.5 dB ב- SINAD מהמקרה שהמגבר מופעל בקביעות.
איור 4. הספק מגבר יחסי עם דירוג הספק דינמי. תוצאות ניסיוניות
האיור מראה שניתן להשיג חסכונות בהספק עד 95% כאשר מעבדים אותות בעלי מבוא איטי בקצבי דגימה איטיים. אך אולי חשוב יותר, עבור מערכות בעלות תפוקה גבוהה יותר החסכונות בפוטנציה הם עדיין משמעותיים, עד 65% ב-100 ksps ועד 35% ב-1Msps. חשוב לציין שאיור 4 משקף את הביצועים של חוצץ בעל שבח יחיד במערכת מודגמת בקביעות. אולם, כנאמר לפני כן, מושגי ה-DPS ניתנים לחוצץ הייחוס תוך ציפייה לתוצאות דומות.
בעוד ה-DPS הוא מושג חדש יחסית, ויש שיקולי תכנון ותזמון שיש להביא בחשבון, התוצאות הראשוניות מבטיחות. דבר אחד ברור מאוד, השאיפה לביצועים גבוהים יותר וצריכת הספק נמוכה יותר יוסיפו להתקיים בעתיד, אשר ידרוש בהמשך את הצורך בפתרונות בעלי הספק נמוך.
