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作者： Umesh Jayamohan 簡介 模數(shù)轉換器 (ADC) 在任何依賴外部（模擬）世界收集信息進行 （數(shù)字）處理的系統(tǒng)中都是不可或缺的組成部分。從通信接收機 到數(shù)字測試和測量再到軍事和航空航天—此處僅舉數(shù)例—這些 系統(tǒng)在不同的應用中各有不同。硅片處理技術的發(fā)展（比如65 nm CMOS 和28 nm CMOS）使高速ADC 得以跨越GSPS（每秒千兆） 門檻。對于系統(tǒng)設計人員來說，這意味著能用于數(shù)字處理的采樣 帶寬越來越寬。出于環(huán)境和成本方面的考慮，系統(tǒng)設計人員不斷 嘗試降低總功耗。一般而言，ADC 制造商建議采用低噪聲LDO （低壓差）穩(wěn)壓器為GSPS（或RF 采樣）ADC 供電，以便達到最 高性能。然而，這種方式的輸電網(wǎng)絡 (PDN) 效率不高。設計人員 對于使用開關穩(wěn)壓器直接為GSPS ADC 供電且不會大幅降低 ADC 性能的方法呼聲漸高。 解決方案是謹慎地進行PDN 部署和布局布線，確保ADC 性能不 受影響。本文討論了線性和開關電源的不同之處，并表明GSPS ADC 與DC-DC 轉換器搭配使用可大幅改善系統(tǒng)能效，且不會影 響ADC 性能。本文通過輸電網(wǎng)絡組合探討GSPS ADC 性能，并 對成本和性能進行了對比分析。 通常建議GSPS ADC 使用的PDN 高帶寬、高采樣速率ADC（或GSPS ADC）可以具有多個電源 域（比如AVDD 或DVDD）。隨著尺寸的縮小，不僅電源域的 數(shù)量增加，為ADC 供電所需的不同電壓數(shù)量也有所增加。例如，AD92501 是一款14 位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B 雙通道 模數(shù)轉換器，采用180 nm CMOS 工藝制造，具有3 個域：AVDD、 DVDD 和DRVDD。然而，所有3 個域都具有相同的電壓：1.8 V。 現(xiàn)在，來看一下AD96802：一款14 位、1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B 雙通道模數(shù)轉換器，采用65 nm CMOS 工藝制造。這款GSPS ADC 具有7 個不同的域（AVDD1、 AVDD1_SR、AVDD2、AVDD3、DVDD、DRVDD 和SPIVDD）， 以及3 個不同的電壓：1.25 V、2.5 V 和3.3 V。 ADP23843 和ADP21644 DC-DC 轉換器用于使電壓下降到可控水 平，以便LDO 能夠在不進入熱關斷的情況下進行穩(wěn)壓操作。這 些電源域和各種電壓的日益普及是在這些采樣速率下工作所必 需的。它們可以確保各種電路域（比如采樣、時鐘、數(shù)字和串行 器）之間具有正確的隔離，同時使性能最優(yōu)。正是因為這個原因， ADC 制造商才設計了評估板，并推薦詳細的電源設計方案，確保 最大程度降低風險，使性能最大化。例如，圖1 顯示了AD9680 評估板使用的默認 PDN 的功能框圖。根據(jù) Vita57.1 規(guī)格，電源輸 入來自 FMC（FPGA 夾層卡）連接器供應的12 V/1 A 和3.3 V/3 A 電源。 
圖1. 用于AD9680 評估板的默認PDN。 顯而易見，這是一種昂貴的解決方案，有7 個LDO 穩(wěn)壓器，每 個域一個。這款PDN 也許是性能最優(yōu)的，但肯定不是最具性價 比或運行成本效率最高的。系統(tǒng)設計人員認為部署含有多個 ADC 的系統(tǒng)非常有難度。例如，相控陣雷達方案包含成百個 AD9680，全都以同步方式工作。要求系統(tǒng)設計人員為上百個ADC 的每一個電壓域都分配一個LDO 穩(wěn)壓器是不合理的。 用于GSPS ADC 的更簡單的PDN 一種更具性價比的PDN 設計方案是將具有同樣電壓值（比如所 有的1.25 V 模擬域）的域組合起來，然后用同一個LDO 來驅 動。這樣可以減少元件數(shù)（以及物料清單—BOM—成本），這 可能適合某些設計。其簡化PDN 如圖2 所示；該圖為AD9680 評估板的部署。在該部署中，整個AD9680 都可以使用3.3 V 輸入供電。
圖2. AD9680評估板的簡化PDN。 驅動AD9680 的DC-DC 轉換器 通過移除為1.25 V 域供電的單個LDO，還可進一步簡化PDN。 這是最高效、最具性價比的解決方案。這種方案的困難之處在于 確保DC-DC 轉換器的操作穩(wěn)定性，從而不影響ADC 性能。 ADP2164 驅動AD9680 所有1.25 V 域（AVDD1、AVDD1_SR、 DVDD 和DRVDD）的PDN 如圖3 所示。
圖3. 使用DC-DC轉換器為AD9680 供電。 比較不同的PDN 對上文討論的3 個PDN 以及第4 個網(wǎng)絡進行測試；第4 個網(wǎng)絡 采用基準電源為AD9680 評估板供電。表1 列出了AD9680 評估 板上部署的各種輸電網(wǎng)絡。 表1. 輸電網(wǎng)絡列表
由于SPIVDD 可以支持1.8 V 至3.3 V 且被認為屬于非關鍵節(jié)點， 因此它采用1.8 V LDO 輸出供電。在一般系統(tǒng)部署中，SPIVDD 可連接2.5 V 或3.3 V 域。也就是說，在那些SPI 總線由很多ADC 與DAC 共享的系統(tǒng)中，仍舊應當監(jiān)控SPIVDD 連接。如有這種 情況，那么必須非常仔細，確保正常的SPI 操作不會導致SPIVDD 域產(chǎn)生電源瞬變。如果SPIVDD 變得低于閾值電平，那么這些電 源瞬變可能會觸發(fā)上電復位 (POR) 的情況。 表2. SNR 性能對比 (dBFS)
表3. SFDR 性能對比 (dBFS)
表2 和表3 分別顯示了AD9680 使用各種PDN 的SNR 和SFDR 性能。根據(jù)AD9680 數(shù)據(jù)手冊提供各種奈奎斯特區(qū)的前端網(wǎng)絡和 寄存器建議設置。 僅使用DC-DC 轉換器為AD9680 的1.25 V 域供電的PDN (PDN #3) 在各種輸入頻率下顯示出了良好的性能。這證明了可以組合 域，并在不損失大量ADC 性能的情況下以高效率、高性價比的 方式為它們供電。采用基準源的PDN 具有最佳的噪聲性能，因 為它是噪聲最低的電源。然而，值得注意的是PDN #3 始終比默 認網(wǎng)絡 (PDN #1) 具有更好的SNR 性能。這可能是由于LDO 具 有良好的低頻清除特性，但對于電路中存在高于幾百kHz 的情況 卻無能為力。這可以解釋PDN #3 的0.2 dB 優(yōu)勢。 快速傅立葉變換圖 圖4 和圖5 分別顯示了170 MHz 和785 MHz 輸入時的單音FFT。 FFT 未顯示出頻譜性能的下降，因為1.25 V 域由單個DC-DC 轉 換器供電。
圖4. 170 MHz輸入時的單音FFT，使用PDN #3。
圖5. 785 MHz輸入時的單音FFT，使用PDN #3。 開關雜散 除了噪聲性能，由于采用了開關元件和磁性元件，因此還應當檢 查DC-DC 轉換器部署的雜散成分。此時，采用謹慎仔細的布局 技術以降低接地環(huán)路和接地反彈將會是有好處的。有很多資源可 以協(xié)助測量開關電源噪聲5,6。邊帶雜散出現(xiàn)在開關頻率失調的兩 側（本例中為1.2 MHz）。必須說明的是，圖2 或圖3 中的輸出 濾波器級是一個兩級濾波器。這個兩級濾波器是降低開關噪聲 （紋波）的主要貢獻因素，有助于改善ADC 噪聲 (SNR) 性能。同 樣的道理，這個兩級濾波器還可協(xié)助降低開關雜散，并在輸出 FFT 中體現(xiàn)出來。在圖6 和圖7 中，它們分別表現(xiàn)為170 MHz 和785 MHz。
圖6. 170 MHz輸入時的1.2 MHz 邊帶開關雜散。 雜散水平 = -105 dBFS。
圖7. 785 MHz輸入時的1.2 MHz 邊帶開關雜散。 雜散水平 = -94 dBFS。 通過了解PSRR（電源抑制比）或ADC 的電源域，可估算邊帶 雜散水平。7 DC-DC 轉換器開關電路仿真 使用諸如ADIsimPE 等工具，可以仿真DC-DC 轉換器輸出端的 兩級濾波器。8 圖8 顯示了ADIsimPE 原理圖，用來仿真PDN 的 輸出噪聲和穩(wěn)定性特征。ADIsimPE 是一款使用方便、功能強大 的工具，可幫助系統(tǒng)工程師設計、優(yōu)化和分析電源網(wǎng)絡。
圖8. ADP2164 驅動1.25 V 域的ADIsimPE原理圖。 圖9 顯示了第一級輸出端的輸出紋波以及電路第二級之后的濾 波輸出，采用ADIsimPE 仿真。此處顯示的紋波約為3 mV p-p。
圖9. ADIsimPE仿真的一級和二級輸出。 物料清單 表4 顯示了AD9680 評估板使用的簡化PDN（如圖2 所示）物料 清單。通過使用圖3 中的網(wǎng)絡，系統(tǒng)設計人員可節(jié)省高達40%到 45%的BOM成本。BOM成本是在一個使用廣泛的電子元件供應 商網(wǎng)站上通過計算千片訂量價格估算的。 表4. 圖2 中的PDN 物料清單
元件選型和布局 采用各種PDN 供電時的ADC 性能不僅取決于精心設計，還取決 于元件選型以及它們在PCB 上的布局。在開關電源內產(chǎn)生的大 電流跳變通常會導致強磁場，它可以耦合到板上其它電磁元件 上，包括匹配網(wǎng)絡中發(fā)現(xiàn)的電感以及用于耦合模擬和時鐘信號的 變壓器等。必須采用精心規(guī)劃的電路板布局手段來防止這些磁場 耦合到關鍵信號上。 電感選擇 由于組成輸出濾波器級的電感和電容輸電量較大，因此需仔細進 行選型。本例中，混合使用了屏蔽和非屏蔽電感。第一個濾波器 級使用了一個屏蔽電感。本例中，第二級可以使用非屏蔽電感。 然而，建議兩級均使用屏蔽電感，最大程度降低EMI 輻射。電 感同樣選用具有充足飽和電流 (ISAT) 和直流電阻 (DCR) 裕量的 器件，確保它們不會飽和，或本身產(chǎn)生過多壓降。 電容選擇 建議使用X5R 或X7R 電容作為輸出濾波器電容。電容還必須具 有低ESR（等效串聯(lián)電阻）。低ESR 有助于降低輸出端的開關 紋波。最大程度降低總ESR 和ESI（等效串聯(lián)電感）的另一個訣 竅是將電容并聯(lián)連接。如圖3 和表4 所示，第一個濾波器級使用 2 個22 μF 電容，而第二個濾波器級使用4 個22 μF 電容。電容 的電壓額定值同樣也是器件選型的重要依據(jù)。這是因為陶瓷電容 的電介質隨直流偏置的增加而下降。這意味著額定值為6.3 V 的 22 μF 電容在4 V 直流偏置下最多可能下降50%。9,10 本例中，額 定值為6.3 V 的電容用于1.25 V 電源。在輸出端加入更多電容確 實會略為增加BOM成本和電路板占位面積，但這樣做可以保證 抑制可能會影響ADC 性能的開關噪聲和紋波。 鐵氧體磁珠選型 如圖3 所示，鐵氧體磁珠用于隔離各種域。鐵氧體磁珠的選擇同 樣非常重要，因為如果鐵氧體磁珠的DCR（直流電阻）高于所 需水平，則會導致域的電壓無法達到最優(yōu)。這種低電壓會致使 ADC 性能（SNR 和SFDR）達不到最優(yōu)。對于阻抗特性、最大 直流搭載能力以及鐵氧體磁珠的DCR 應高度重視。11 PCB 布局考慮 為了最大程度減少開關穩(wěn)壓器和ADC 之間的干擾，DC-DC 轉換 器及其開關元件應放置在遠離任何磁性元件對ADC 造成干擾的 地方（比如前段匹配網(wǎng)絡或時鐘網(wǎng)絡）。進行DC-DC 轉換器布 局設計時，兩級濾波器應當盡量靠近DC-DC 轉換器，以便最大 程度降低環(huán)路電流。 致謝 Justin Correll 為測量和數(shù)據(jù)收集作出了貢獻，在此表示衷心感謝。 結論 RF 采樣（或GSPS）ADC 可對寬帶寬進行數(shù)字化處理，在系統(tǒng) 設計方面具有獨特的優(yōu)勢。針對這些GSPS ADC，業(yè)界正在力求 降低電源設計的復雜度、尺寸和成本。若足夠重視設計、元件選 型和PCN 布局，則能夠為GSPS ADC 供電的低噪聲、高性價比 PDN 是有可能實現(xiàn)的。因此，經(jīng)過部署后，開關穩(wěn)壓器還有助 于改善電源系統(tǒng)的效率，并節(jié)省運作成本和BOM，同時不會影 響性能。 參考文獻 1AD9250. Analog Devices. 2AD9680. Analog Devices. 3ADP2384. Analog Devices. 4ADP2164. Analog Devices. 5Akdrick Limjoco。“了解開關調節(jié)器的輸出，加快電源設計”。 模擬對話，第48 卷第3 期 6“Ericsson 電源模塊的輸出紋波和噪聲測量方法”。 Ericsson。 7Rob Reeder。“高速ADC 的電源設計”。ADI 公司。 8ADIsimPE。ADI 公司。 9GRM21BR60J226ME39L。Murata。 10Istvan Novak、Kendrick Barry Williams、Jason R. Miller、GustavoBlando 和Nathaniel Shannon。“電容的直流和交流偏置依賴性。” DesignCon 2011。 11Jefferson Eco 和Akdrick Limjoco。AN-1368 應用筆記：鐵氧體磁珠揭秘。ADI 公司。 作者 Umesh Jayamohan [umesh.jayamohan@analog.com] 是ADI 公司高速轉 換器部門（位于北卡羅來納州格林斯博羅）的應用工程師， 于2010 年加 入ADI 公司。Umesh 于1998 年獲得印度喀拉拉大學電氣工程學士學位， 于2002 年獲得美國亞利桑那州立大學電氣工程碩士學位。 |
