Powermanagement bei Funktransceivern
Leistung und Stromaufnahme im Transceiver skalieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Energieeinsparungen auf Komponentenebene
Die Energieeinsparung auf Komponentenebene lässt sich während der Initialisierungsphase des Bausteins einfach durch konfigurieren der individuellen Komponenten über APIs (application programming interfaces) erreichen, die vom SDK (software develpoment kit) geboten werden. In Bild 2 sind die Hardware-Komponenten dargestellt, die mehrere Energiesparoptionen bieten, wie ADU, HF-PLL, BB-PLL sowie Empfangs- und Sende-Tiefpassfilter (LPF). Um diese Komponenten richtig zu konfigurieren, ist es wichtig, die Kompromisse bezüglich der Leistungsfähigkeit zu verstehen.
Der ADRV9001 bietet die Option, zwischen dem HP-ADC und dem LP-ADC zu wählen. Der HP-ADC basiert auf einer CTSD-Architektur (continuous-time sigma-delta) und ist 5 bit breit. Der LP-ADC basiert auf einer VCO-Architektur (voltage-controlled oscillator) und ist 16 bit breit. Sowohl der HP- als auch der LP-ADC haben einen ähnlichen Dynamikbereich (Vollaussteuerung zu thermischem Rauschen) aber ein unterschiedliches Linearitätsverhalten [2].
Bild 3 vergleicht den IIP3 (Eingangs-Intercept-Punkt dritter Ordnung) und den IIP2 (Eingangs-Intercept-Punkt zweiter Ordnung) des HP-ADCs mit denen des LP-ADCs. Der Vergleich wird mit zwei Signalen mit konstanter Amplitude (CW, continuous wave) mit 1 MHz Frequenzabstand mit einem Breitbandprofil, bei Raumtemperatur und maximaler Empfängerverstärkung durchgeführt.
Wie in Bild 3 dargestellt, zeigen sowohl der HP-ADC als auch der LP-ADC eine gute Linearität. Der HP-ADC erzielt beim IIP2 eine um rund 12 dB bessere Leistung und ist auch beim IIP3 6 dB besser als der LP-ADC, benötigt aber mehr Leistung. Sowohl für den HP- als auch den LP-ADC kann der Entwickler eine hohe, mittlere und niedrige Abtastrate auswählen. Die Wahl einer hohen Abtastrate verbessert das Rauschverhalten und mindert zusätzlich die Anforderungen an die Trennschärfe des Antialiasing-Filters, aber auf Kosten einer höheren Leistungsaufnahme, um die Daten schneller zu verarbeiten.
Der Sender hat zwei HF-PLLs, wobei jede ihren eigenen Oszillator (LO, local oscillator) steuert. Die Oszillatoren bieten zwei Optionen, um entweder das beste Phasenrauschen oder die niedrigste Leistungsaufnahme zu erreichen. Im Betrieb mit geringster Leistungsaufnahme wird weniger Strom benötigt, das Phasenrauschen jedoch geringfügig verschlechtert. Die Option für das beste Phasenrauschen ist allerdings nur für LO-Frequenzen unter 1 GHz verfügbar.
Für jede Betriebsart stehen drei unterschiedliche Optionen für die Leistungsaufnahme mit unterschiedlichen Pegeln am LO-Ausgang zur Verfügung. Ein größerer Pegel resultiert in einem besseren Phasenrauschen, braucht aber mehr Leistung.
Die BB-PLL generiert alle dem Basisband und dem Daten-Port zugeordneten Takte. Wie beim ADU werden auch hier sowohl für HP-BB-PLL (high performance baseband phase-locked loop) als auch für LP-BB-PLL (low power baseband phase-locked loop) mehrere Optionen geboten. Die HP-BB-PLL hat einen programmierbaren Frequenzbereich von 7,2 bis 8,8 GHz, die LP-BB-PLL dagegen hat einen programmierbaren Bereich zwischen 3,3 GHz und 5 GHz. Die HP-BB-PLL bietet Entwicklern einen größeren Freiraum bei der Taktgenerierung und unterstützt einen größeren Bereich an Abtastraten. Liegt die Signalabtastrate über 53,33 MHz muss die HP-BB-PLL eingesetzt werden. Die LP-BB-PLL ist auf bestimmte Abtastraten begrenzt, benötigt dafür aber weniger Leistung.
Das Empfangs-Tiefpassfilter (RxLPF, receiver low pass filter), mit einer variablen Bandbreite zwischen 5 MHz und 50 MHz, dämpft Signale außerhalb des genutzten Bandes. Es setzt auch den Basisband-Signalstrom in eine Spannung um. Entwickler können den Tiefpass im TIA-Modus (transimpedance amplifier) als Filter 1. Ordnung mit einem Pol oder im BIQ-Modus (bi-quad) als Filter 2. Ordnung mit zwei komplexen Polen in der Übertragungsfunktion konfigurieren. Obwohl beide Betriebsarten im genutzten Band die gleiche Leistung bieten, erzielt der BIQ-Modus 2. Ordnung – verglichen mit dem TIA-Modus 1. Ordnung – eine zusätzliche Dämpfung außerhalb des genutzten Bandes.
Bild 4 vergleicht den simulierten Frequenzgang bei unterschiedlichen Konfigurationen für die 1dB-Eckfrequenz dieser beiden Filter. Die Wahl des LPF 2. Ordnung braucht mehr Leistung als der Modus 1. Ordnung. Zusätzlich ist das Rauschen des LPF 2. Ordnung im genutzten Band rund 2,5 dB höher als das des LPF 1. Ordnung. Für beide Tiefpassfilter kann der Entwickler drei unterschiedliche Leistungsaufnahmepegel – hoch, mittel und niedrig – wählen, wobei sich aber sowohl das Rauschen als auch die Linearität verschlechtern.
Das Sende-Tiefpassfilter (TxLPF, transmitter low pass filter) ist ein Butterworth-Filter 2. Ordnung und dient dazu, die durch Abtastung entstehenden Spiegelbilder des Digital/Analog-Umsetzers (DAU) zu dämpfen. Es setzt auch den Ausgangsstrom des DAU in eine Spannung um und rekonstruiert das analoge Spektrum durch die Tiefpassfilterung des DAU-Ausgangs. Wie auch der Empfangs-LPF bietet es drei Optionen, um die Leistungsaufnahme einzustellen, hoch, mittel und niedrig – allerdings auf Kosten der Linearität.
Die beste Leistung wird üblicherweise erreicht, wenn alle Komponenten im ADRV9001 auf die Option mit der höchsten Leistungsaufnahme konfiguriert werden. Für ein 20-MHz-FDD-1T1R-LTE-Profil beträgt der Gesamtleistungsbedarf des ADRV9001, wenn die Option mit dem höchsten Leistungsaufnahme konfiguriert ist und beide Kanäle aktiv sind, rund 1.800 mW. Anmerkung: Die Messergebnisse können selbst bei denselben Konfigurationen abhängig von der Schaltung und der Temperatur variieren.
Tabelle 1 zeigt die Energieeinsparungen, die durch Konfigurieren unterschiedlicher Energiesparoptionen erzielt werden. In diesem 20-MHz-1T1R-LTE-Profil sind Empfangskanal 1 und Sendekanal 1 aktiviert und der LO ist auf 900 MHz konfiguriert. Die Werte jeder Zeile in Tabelle 1 geben die Leistungseinsparung in mW an, nur durch Aktivieren dieser einen Energiesparoption. Der Einsatz eines HP-ADU mit mittlerer Abtastrate spart beispielsweise rund 72 mW, verglichen mit dem höchsten Leistungsbedarf von rund 1.800 mW, wenn alle Optionen mit der höchsten Leistungsaufnahme aktiviert sind.
| ADU | Leistungseinsparung [mW] | |
|---|---|---|
| HP | Mittlere Taktrate | –72 |
| Niedrige Taktrate | –41 | |
| LP | Hohe Taktrate | –100 |
| Mittlere Taktrate | –177 | |
| Niedrige Taktrate | –158 | |
| RF-PLL | ||
| Bestes Phasenrauschen | Mittlere Energieaufnahme | –44 |
| Niedrige Energieaufnahme | –84 | |
| Beste Leistungsaufnahme | Hohe Energieaufnahme | –50 |
| Mittlere Energieaufnahme | –80 | |
| Niedrige Energieaufnahme | –108 | |
| BB-PLL | ||
| HP | Mittlere Energieaufnahme | –5 |
| Niedrige Energieaufnahme | –10 | |
| LP | Hohe Energieaufnahme | –45 |
| Mittlere Energieaufnahme | –47 | |
| Niedrige Energieaufnahme | –49 | |
| Rx-LPF | ||
| 2. Ordnung | Mittlere Energieaufnahme | –26 |
| Niedrige Energieaufnahme | –40 | |
| 1. Ordnung | Hohe Energieaufnahme | –77 |
| Mittlere Energieaufnahme | –101 | |
| Niedrige Energieaufnahme | –116 | |
| Tx-LPF | ||
| Mittlere Energieaufnahme | –29 | |
| Niedrige Energieaufnahme | –47 | |
Wenn die Applikation nur geringe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit stellt, ist bei diesem Profil, basierend auf Tabelle 1, durch Auswahl der Option für die niedrigste Energieaufnahme eine Gesamtleistungseinsparung von rund 480 mW möglich. Die Energieeinsparungen auf Komponentenebene sind hauptsächlich statisch, das bedeutet, dass, wenn sie einmal während der Initialisierungsphase des Bausteins konfiguriert sind, sie sich nicht mehr dynamisch im Betrieb ändern lassen. Eine Ausnahme ist die Wahl zwischen HP- und LP-ADU, die im laufenden Betrieb über einen API-Befehl möglich ist.
Eine weitere Energiesparoption, die es wert ist erwähnt zu werden, bezieht sich auf die Konfigurierung einer Versorgungsspannungsebene. Der ADRV9001 benötigt fünf unterschiedliche Versorgungsspannungsebenen: 1 V digital (VDD_1P0), 1,8 V digital (VDD_1P8), 1 V analog (VDDA_1P0), 1,3 V analog (VDDA_1P3) und 1,8 V analog (VDDA_1P8). VDDA_1P0 ist optional. Sie dient dazu, alle LO-Schaltungen der Sende- und Empfangskanäle zu versorgen. Dieser Bereich kann über interne LDO-Regler (low drop out) versorgt werden, die die erforderlichen 1 V generieren. Alternativ kann die Spannung auch extern erzeugt werden, wenn einige interne LDO-Regler des ADRV9001 umgangen werden. Das kann zum Beispiel wünschenswert sein, um weitere Energieeinsparungen durch Abschalten der LDO-Regler und Anlegen einer externen Stromquelle [3] mit höherem Wirkungsgrad zu erreichen.
Für die hier beschriebenen und durchgeführten Messungen wurden die internen LDO-Regler genutzt, um die Spannung VDDA_P1P0 zu erzeugen.
- Leistung und Stromaufnahme im Transceiver skalieren
- Energieeinsparungen auf Komponentenebene
- Energieeinsparungen auf Kanalebene
- Energieeinsparungen auf Systemebene
- Monitor-Modus
