如何利用開(kāi)關(guān)穩壓器為GSPS ADC 供電

簡(jiǎn)介

模數轉換器 (ADC) 在任何依賴(lài)外部(模擬)世界收集信息進(jìn)行 (數字)處理的系統中都是不可或缺的組成部分。從通信接收機到數字測試和測量再到軍事和航空航天—此處僅舉數例—這些 系統在不同的應用中各有不同。硅片處理技術(shù)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(mén)檻。對于系統設計人員來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)能用于數字處理的采樣 帶寬越來(lái)越寬。出于環(huán)境和成本方面的考慮，系統設計人員不斷 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(luò ) (PDN) 效率不高。設計人員 對于使用開(kāi)關(guān)穩壓器直接為GSPS ADC 供電且不會(huì )大幅降低 ADC 性能的方法呼聲漸高。

解決方案是謹慎地進(jìn)行PDN 部署和布局布線(xiàn)，確保ADC 性能不受影響。本文討論了線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)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能效，且不會(huì )影響ADC 性能。本文通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò )組合探討GSPS ADC 性能，并對成本和性能進(jìn)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(gè)電源 域(比如AVDD 或DVDD)。隨著(zhù)尺寸的縮小，不僅電源域的 數量增加，為ADC 供電所需的不同電壓數量也有所增加。例如，AD9250是一款14 位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B 雙通道 模數轉換器，采用180 nm CMOS 工藝制造，具有3 個(gè)域：AVDD、 DVDD 和DRVDD。然而，所有3 個(gè)域都具有相同的電壓：1.8 V。

現在，來(lái)看一下AD9680：一款14 位、1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B 雙通道模數轉換器，采用65 nm CMOS 工藝制造。這款GSPS ADC 具有7 個(gè)不同的域(AVDD1、 AVDD1_SR、AVDD2、AVDD3、DVDD、DRVDD 和SPIVDD)， 以及3 個(gè)不同的電壓：1.25 V、2.5 V 和3.3 V。

ADP2384和ADP2164 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(jìn)入熱關(guān)斷的情況下進(jìn)行穩壓操作。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(shí)鐘、數字和串行 器)之間具有正確的隔離，同時(shí)使性能最優(yōu)。正是因為這個(gè)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(fēng)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 Vita57.1 規格，電源輸 入來(lái)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A(yíng)D9680 評估板的默認PDN。

顯而易見(jiàn)，這是一種昂貴的解決方案，有7 個(gè)LDO 穩壓器，每 個(gè)域一個(gè)。這款PDN 也許是性能最優(yōu)的，但肯定不是最具性?xún)r(jià) 比或運行成本效率最高的。系統設計人員認為部署含有多個(gè) ADC 的系統非常有難度。例如，相控陣雷達方案包含成百個(gè) AD9680，全都以同步方式工作。要求系統設計人員為上百個(gè)ADC 的每一個(gè)電壓域都分配一個(gè)LDO 穩壓器是不合理的。

用于GSPS ADC 的更簡(jiǎn)單的PDN

一種更具性?xún)r(jià)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(lái)，然后用同一個(gè)LDO 來(lái)驅 動(dòng)。這樣可以減少元件數(以及物料清單—BOM—成本)，這 可能適合某些設計。其簡(jiǎn)化PDN 如圖2 所示;該圖為AD9680 評估板的部署。在該部署中，整個(gè)AD9680 都可以使用3.3 V 輸入供電。

圖2. AD9680評估板的簡(jiǎn)化PDN。

驅動(dòng)AD9680 的DC-DC 轉換器

通過(guò)移除為1.25 V 域供電的單個(gè)LDO，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化PDN。 這是最高效、最具性?xún)r(jià)比的解決方案。這種方案的困難之處在于 確保DC-DC 轉換器的操作穩定性，從而不影響ADC 性能。 ADP2164 驅動(dòng)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(gè)PDN 以及第4 個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試;第4 個(gè)網(wǎng)絡(luò ) 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(luò )。

表1. 輸電網(wǎng)絡(luò )列表

由于SPIVDD 可以支持1.8 V 至3.3 V 且被認為屬于非關(guān)鍵節點(diǎn)， 因此它采用1.8 V LDO 輸出供電。在一般系統部署中，SPIVDD 可連接2.5 V 或3.3 V 域。也就是說(shuō)，在那些SPI 總線(xiàn)由很多ADC 與DAC 共享的系統中，仍舊應當監控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(huì )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(huì )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AD9680 數據手冊提供各種奈奎斯特區的前端網(wǎng)絡(luò )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?xún)r(jià)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(luò ) (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(wú)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(shí)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(gè)DC-DC 轉 換器供電。

圖4. 170 MHz輸入時(shí)的單音FFT，使用PDN #3。

圖5. 785 MHz輸入時(shí)的單音FFT，使用PDN #3。

開(kāi)關(guān)雜散

除了噪聲性能，由于采用了開(kāi)關(guān)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(shí)，采用謹慎仔細的布局技術(shù)以降低接地環(huán)路和接地反彈將會(huì )是有好處的。有很多資源可以協(xié)助測量開(kāi)關(guān)電源噪聲5,6。邊帶雜散出現在開(kāi)關(guān)頻率失調的兩側(本例中為1.2 MHz)。必須說(shuō)明的是，圖2 或圖3 中的輸出濾波器級是一個(gè)兩級濾波器。這個(gè)兩級濾波器是降低開(kāi)關(guān)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(gè)兩級濾波器還可協(xié)助降低開(kāi)關(guān)雜散，并在輸出 FFT 中體現出來(lái)。在圖6 和圖7 中，它們分別表現為170 MHz 和785 MHz。

圖6. 170 MHz輸入時(shí)的1.2 MHz 邊帶開(kāi)關(guān)雜散。雜散水平 = -105 dBFS。

圖7. 785 MHz輸入時(shí)的1.2 MHz 邊帶開(kāi)關(guān)雜散。雜散水平 = -94 dBFS。

通過(guò)了解PSRR(電源抑制比)或ADC 的電源域，可估算邊帶雜散水平。

DC-DC 轉換器開(kāi)關(guān)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。圖8 顯示了ADIsimPE 原理圖，用來(lái)仿真PDN 的 輸出噪聲和穩定性特征。ADIsimPE 是一款使用方便、功能強大 的工具，可幫助系統工程師設計、優(yōu)化和分析電源網(wǎng)絡(luò )。

圖8. ADP2164 驅動(dòng)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(jiǎn)化PDN(如圖2 所示)物料 清單。通過(guò)使用圖3 中的網(wǎng)絡(luò )，系統設計人員可節省高達40%到 45%的BOM成本。BOM成本是在一個(gè)使用廣泛的電子元件供應 商網(wǎng)站上通過(guò)計算千片訂量?jì)r(jià)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(shí)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(kāi)關(guān)電源內產(chǎn)生的大電流跳變通常會(huì )導致強磁場(chǎng)，它可以耦合到板上其它電磁元件上，包括匹配網(wǎng)絡(luò )中發(fā)現的電感以及用于耦合模擬和時(shí)鐘信號的 變壓器等。必須采用精心規劃的電路板布局手段來(lái)防止這些磁場(chǎng)耦合到關(guān)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(jìn)行選型。本例中，混合使用了屏蔽和非屏蔽電感。第一個(gè)濾波器級使用了一個(gè)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(huì )飽和，或本身產(chǎn)生過(guò)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(kāi)關(guān)紋波。最大程度降低總ESR 和ESI(等效串聯(lián)電感)的另一個(gè)訣竅是將電容并聯(lián)連接。如圖3 和表4 所示，第一個(gè)濾波器級使用 2 個(gè)22 μF 電容，而第二個(gè)濾波器級使用4 個(gè)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。這是因為陶瓷電容 的電介質(zhì)隨直流偏置的增加而下降。這意味著(zhù)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%。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(shí)會(huì )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(huì )影響ADC 性能的開(kāi)關(guān)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(huì )導致域的電壓無(wú)法達到最優(yōu)。這種低電壓會(huì )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。

PCB 布局考慮

為了最大程度減少開(kāi)關(guān)穩壓器和ADC 之間的干擾，DC-DC 轉換 器及其開(kāi)關(guān)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(luò )或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò ))。進(jìn)行DC-DC 轉換器布 局設計時(shí)，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。