Аналоговое и цифровое питание | Наука
Особенности работы цифровых компонентов
В качестве цифрового компонента представим, например, абстрактный микроконтроллер. Каждый такт работы в нём переключают транзисторы (как самостоятельные компоненты или процессоры), определённым образом меняя состояния его выходов. Каждый такт устройство выполняет операции, ненадолго замирая между тактами.
Основной объём энергопотребления приходится именно на момент переключения. Если устройство работает на частоте, например, 10 МГц, то каждые 100 нс в него будет затекать огромное количество тока. Если при этом среднее потребление тока равно 100 мА, то во время переключения ток может доходить до нескольких ампер.
Разобраться, почему так происходит, поможет следующая схема:
На ней представлена КМОП-пара, или инвертор. В точке Vdd к ней подводится питание; заземление - в точке Vss. Пара состоит из двух комплементарных транзисторов. Комплементарными они называются потому, что дополняют друг друга, позволяя соединять точки Q и A либо через верхний транзистор, либо через нижний. Если напряжение на входе резко возрастает, то верхний транзистор закрывается, а нижний - открывается. В момент переключения в система протекают два тока - ток зарядки затворов транзисторов (являющихся по сути конденсаторами) и ток зарядки выхода через транзистор. Именно поэтому получается скачок мощности. Чем выше тактовая частота, тем соответственно выше будет и потребление.
При этом любая, даже незначительная, индуктивность между источником тока и затворами будет сопротивляться повышениям тока, приводя к падению напряжения на входе. Если значение нежеланной индуктивности будет достаточно большим, прибор не сможет корректно переключаться.
Цифровое питание
Чтобы противостоять этому эффекту, как можно ближе к точке входа компонента устанавливается демпфирующий конденсатор. Он препятствует резкому изменению напряжения и компенсирует индуктивность, а в перерывах между тактами запасает энергию.
Современный процессор может потреблять около 200 Вт при напряжениях порядка 1 В, и схема питания должна быть способной генерировать токи так, чтобы напряжение примерно оставалось в рамках этого 1 В. При этом стоит учитывать, что если средний ток равен 200 А, то пиковый будет в разы выше. Скачки тока могут стать большой проблемой без должного дополнения схемы питания конденсаторами.
Отличие аналоговых компонентов
В качестве примера аналогового компонента можно рассмотреть всё тото же инвертор. Однако существенное различие от цифровых схем заключается в том, что нас куда больше интересует значение напряжения на выходе. У цифровых компонентов имело значение только то, выше ли напряжение на выходе некоторого порогового значения, что позволяло различать 1 и 0. Теперь же условный выход должен возвращать, например, ровно 1 В. Если же напряжение питания упадёт или возрастёт, 1 В может превратиться в 0.8 или 1.2 В. То есть, аналоговый компонент исказит сигнал.
Если речь идёт об усилителе аудиосигнала, то при осцилляции питания осциллировать вместе с ним будет и выходное напряжение, что крайне нежелательно.
Кроме того, потребление такого компонента меняется не вместе с тактами работы, а в зависимости от напряжения на выходе. Оно тоже меняться скачком, и иногда демпфирующие конденсаторы бывают нужны и для аналоговых схем, но эти скачки носят другой характер и очень зависят от частоты входного сигнала и типа компонента. Однако точно справедливо, что от скачков питания этот прибор будет работать хуже.
Итог. Раздельное питание
Что будет, если поместить аналоговый и цифровой компонент рядом на плате? Цифровой компонент будет приводить к скачкам напряжения около себя, из-за чего аналоговый компонент начнёт выдавать неправильные значения. То есть, цифровые компоненты очень загрязняют линию питания, при этом не сами не являясь к ними чувствительными.
Именно поэтому на схемах (в том числе в пределах одного чипа) можно встретить раздельные аналоговое и цифровое питание. Бок о бок в схеме сосуществуют аналоговая и цифровая подсистемы, однако последняя не создаёт помех для другой.
Существуют и другие способы ограждения аналоговых частей схемы от цифровых помех. Помимо стандартных инструментов - катушек и конденсаторов, регулирующих скачки - схемотехники руководствуются
правилами: не размещать аналоговые и цифровые компоненты близко друг к другу, а также делать расстояние от всех чипов до заземления минимальным, что уменьшит нежелательную индуктивность.