为GSPS 或RF 采样ADC 供电：开关与LDO

Ferrya

为GSPS 或RF 采样ADC 供电：开关与LDO

简介

模数转换器 (ADC) 在任何依赖外部（模拟）世界收集信息进行 （数字）处理的系统中都是不可或缺的组成部分。从通信接收机 到数字测试和测量再到军事和航空航天—此处仅举数例—这些 系统在不同的应用中各有不同。硅片处理技术的发展（比如65 nm CMOS 和28 nm CMOS）使高速ADC 得以跨越GSPS（每秒千兆） 门槛。

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对于系统设计人员来说，这意味着能用于数字处理的采样 带宽越来越宽。出于环境和成本方面的考虑，系统设计人员不断 尝试降低总功耗。一般而言，ADC 制造商建议采用低噪声LDO （低压差）稳压器为GSPS（或RF 采样）ADC 供电，以便达到最 高性能。然而，这种方式的输电网络 (PDN) 效率不高。设计人员 对于使用开关稳压器直接为GSPS ADC 供电且不会大幅降低 ADC 性能的方法呼声渐高。

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解决方案是谨慎地进行PDN 部署和布局布线，确保ADC 性能不 受影响。本文讨论了线性和开关电源的不同之处，并表明GSPS ADC 与DC-DC 转换器搭配使用可大幅改善系统能效，且不会影 响ADC 性能。本文通过输电网络组合探讨GSPS ADC 性能，并 对成本和性能进行了对比分析。

, G. `' w. P" N$ C3 n通常建议GSPS ADC 使用的PDN
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高带宽、高采样速率ADC（或GSPS ADC）可以具有多个电源 域（比如AVDD 或DVDD）。随着尺寸的缩小，不仅电源域的 数量增加，为ADC 供电所需的不同电压数量也有所增加。例如，AD9250是一款14 位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B 双通道 模数转换器，采用180 nm CMOS 工艺制造，具有3 个域：AVDD、 DVDD 和DRVDD。然而，所有3 个域都具有相同的电压：1.8 V。

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现在，来看一下AD9680：一款14 位、1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B 双通道模数转换器，采用65 nm CMOS 工艺制造。这款GSPS ADC 具有7 个不同的域（AVDD1、 AVDD1_SR、AVDD2、AVDD3、DVDD、DRVDD 和SPIVDD）， 以及3 个不同的电压：1.25 V、2.5 V 和3.3 V。

ADP2384 和 ADP2164 DC-DC 转换器用于使电压下降到可控水 平，以便LDO 能够在不进入热关断的情况下进行稳压操作。这 些电源域和各种电压的日益普及是在这些采样速率下工作所必 需的。它们可以确保各种电路域（比如采样、时钟、数字和串行 器）之间具有正确的隔离，同时使性能最优。正是因为这个原因， ADC 制造商才设计了评估板，并推荐详细的电源设计方案，确保 最大程度降低风险，使性能最大化。例如，图1 显示了AD9680 评估板使用的默认 PDN 的功能框图。根据 Vita57.1 规格，电源输 入来自 FMC（FPGA 夹层卡）连接器供应的12 V/1 A 和3.3 V/3 A 电源。

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. o  L6 d# O. f8 }" e图1. 用于AD9680 评估板的默认PDN。

显而易见，这是一种昂贵的解决方案，有7 个LDO 稳压器，每 个域一个。这款PDN 也许是性能最优的，但肯定不是最具性价 比或运行成本效率最高的。系统设计人员认为部署含有多个 ADC 的系统非常有难度。例如，相控阵雷达方案包含成百个 AD9680，全都以同步方式工作。要求系统设计人员为上百个ADC 的每一个电压域都分配一个LDO 稳压器是不合理的。

4 R3 k. o- i' Q" [4 z) y用于GSPS ADC 的更简单的PDN
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一种更具性价比的PDN 设计方案是将具有同样电压值（比如所 有的1.25 V 模拟域）的域组合起来，然后用同一个LDO 来驱 动。这样可以减少元件数（以及物料清单—BOM—成本），这 可能适合某些设计。其简化PDN 如图2 所示；该图为AD9680 评估板的部署。在该部署中，整个AD9680 都可以使用3.3 V 输入供电。

* Z/ f7 [' k6 V  \% ]! B图2. AD9680评估板的简化PDN。

' q4 ?% u9 z& V7 s8 R' h: I驱动AD9680 的DC-DC 转换器
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通过移除为1.25 V 域供电的单个LDO，还可进一步简化PDN。 这是最高效、最具性价比的解决方案。这种方案的困难之处在于 确保DC-DC 转换器的操作稳定性，从而不影响ADC 性能。 ADP2164 驱动AD9680 所有1.25 V 域（AVDD1、AVDD1_SR、 DVDD 和DRVDD）的PDN 如图3 所示。

图3. 使用DC-DC转换器为AD9680 供电。

8 p" ~8 u* b- l* ]; n: P/ \4 q4 I比较不同的PDN

对上文讨论的3 个PDN 以及第4 个网络进行测试；第4 个网络 采用基准电源为AD9680 评估板供电。表1 列出了AD9680 评估 板上部署的各种输电网络。

表1. 输电网络列表


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由于SPIVDD 可以支持1.8 V 至3.3 V 且被认为属于非关键节点， 因此它采用1.8 V LDO 输出供电。在一般系统部署中，SPIVDD 可连接2.5 V 或3.3 V 域。也就是说，在那些SPI 总线由很多ADC 与DAC 共享的系统中，仍旧应当监控SPIVDD 连接。如有这种 情况，那么必须非常仔细，确保正常的SPI 操作不会导致SPIVDD 域产生电源瞬变。如果SPIVDD 变得低于阈值电平，那么这些电 源瞬变可能会触发上电复位 (POR) 的情况。

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表2. SNR 性能对比 (dBFS)

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表3. SFDR 性能对比 (dBFS)

表2 和表3 分别显示了AD9680 使用各种PDN 的SNR 和SFDR 性能。根据AD9680 数据手册提供各种奈奎斯特区的前端网络和 寄存器建议设置。

仅使用DC-DC 转换器为AD9680 的1.25 V 域供电的PDN (PDN #3) 在各种输入频率下显示出了良好的性能。这证明了可以组合 域，并在不损失大量ADC 性能的情况下以高效率、高性价比的 方式为它们供电。采用基准源的PDN 具有最佳的噪声性能，因 为它是噪声最低的电源。然而，值得注意的是PDN #3 始终比默 认网络 (PDN #1) 具有更好的SNR 性能。这可能是由于LDO 具 有良好的低频清除特性，但对于电路中存在高于几百kHz 的情况 却无能为力。这可以解释PDN #3 的0.2 dB 优势。

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快速傅立叶变换图
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图4 和图5 分别显示了170 MHz 和785 MHz 输入时的单音FFT。 FFT 未显示出频谱性能的下降，因为1.25 V 域由单个DC-DC 转 换器供电。

7 d2 Y: x. h' s' J2 o) F" d: N图4. 170 MHz输入时的单音FFT，使用PDN #3。


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, A9 A1 k" H3 S图5. 785 MHz输入时的单音FFT，使用PDN #3。
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1 n; F* p3 S8 f8 }' X开关杂散

除了噪声性能，由于采用了开关元件和磁性元件，因此还应当检 查DC-DC 转换器部署的杂散成分。此时，采用谨慎仔细的布局 技术以降低接地环路和接地反弹将会是有好处的。有很多资源可 以协助测量开关电源噪声。边带杂散出现在开关频率失调的两 侧（本例中为1.2 MHz）。必须说明的是，图2 或图3 中的输出 滤波器级是一个两级滤波器。这个两级滤波器是降低开关噪声 （纹波）的主要贡献因素，有助于改善ADC 噪声 (SNR) 性能。同 样的道理，这个两级滤波器还可协助降低开关杂散，并在输出 FFT 中体现出来。在图6 和图7 中，它们分别表现为170 MHz 和785 MHz。

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图6. 170 MHz输入时的1.2 MHz 边带开关杂散。杂散水平 = -105 dBFS。
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& y4 i$ q6 m0 [  ^图7. 785 MHz输入时的1.2 MHz 边带开关杂散。 杂散水平 = -94 dBFS。

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通过了解PSRR（电源抑制比）或ADC 的电源域，可估算边带 杂散水平。

DC-DC 转换器开关电路仿真

使用诸如 ADIsimPE等工具，可以仿真DC-DC 转换器输出端的 两级滤波器。图8 显示了ADIsimPE 原理图，用来仿真PDN 的 输出噪声和稳定性特征。ADIsimPE 是一款使用方便、功能强大 的工具，可帮助系统工程师设计、优化和分析电源网络。

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; l0 C1 x: g# a) u- s' V) x3 h图8. ADP2164 驱动1.25 V 域的ADIsimPE原理图。
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图9 显示了第一级输出端的输出纹波以及电路第二级之后的滤 波输出，采用ADIsimPE 仿真。此处显示的纹波约为3 mV p-p。

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图9. ADIsimPE仿真的一级和二级输出。

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Ferrya 发表于 2019-6-12 09:30
表2. SNR 性能对比 (dBFS)
. P# Q  u. F) l9 j& V/ B% \表3. SFDR 性能对比 (dBFS)
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物料清单 , F% Z  F" v0 f" m8 P& L 表4 显示了AD9680 评估板使用的简化PDN（如图2 所示）物料 清单。通过使用图3 中的网络，系统设计人员可节省高达40%到 45%的BOM成本。BOM成本是在一个使用广泛的电子元件供应 商网站上通过计算千片订量价格估算的。 0 _7 R+ B% m8 A9 ~6 f) V5 v 表4. 图2 中的PDN 物料清单 % `+ d/ ?& W4 ]7 r 元件选型和布局 9 r6 q$ B! f* K# q) X 采用各种PDN 供电时的ADC 性能不仅取决于精心设计，还取决 于元件选型以及它们在PCB 上的布局。在开关电源内产生的大 电流跳变通常会导致强磁场，它可以耦合到板上其它电磁元件 上，包括匹配网络中发现的电感以及用于耦合模拟和时钟信号的 变压器等。必须采用精心规划的电路板布局手段来防止这些磁场 耦合到关键信号上。 / W5 e  K8 M; |) r2 B 电感选择 由于组成输出滤波器级的电感和电容输电量较大，因此需仔细进 行选型。本例中，混合使用了屏蔽和非屏蔽电感。第一个滤波器 级使用了一个屏蔽电感。本例中，第二级可以使用非屏蔽电感。 然而，建议两级均使用屏蔽电感，最大程度降低EMI 辐射。电 感同样选用具有充足饱和电流 (ISAT) 和直流电阻 (DCR) 裕量的 器件，确保它们不会饱和，或本身产生过多压降。 电容选择 1 }: g9 d' g7 \ 建议使用X5R 或X7R 电容作为输出滤波器电容。电容还必须具 有低ESR（等效串联电阻）。低ESR 有助于降低输出端的开关 纹波。最大程度降低总ESR 和ESI（等效串联电感）的另一个诀 窍是将电容并联连接。如图3 和表4 所示，第一个滤波器级使用 2 个22 μF 电容，而第二个滤波器级使用4 个22 μF 电容。电容 的电压额定值同样也是器件选型的重要依据。这是因为陶瓷电容 的电介质随直流偏置的增加而下降。这意味着额定值为6.3 V 的 22 μF 电容在4 V 直流偏置下最多可能下降50%。9,10 本例中，额 定值为6.3 V 的电容用于1.25 V 电源。在输出端加入更多电容确 实会略为增加BOM成本和电路板占位面积，但这样做可以保证 抑制可能会影响ADC 性能的开关噪声和纹波。 4 _$ _7 F0 C* j1 }: ?. A0 W 铁氧体磁珠选型 6 O! y: E  j) r% V- j2 f  f 如图3 所示，铁氧体磁珠用于隔离各种域。铁氧体磁珠的选择同 样非常重要，因为如果铁氧体磁珠的DCR（直流电阻）高于所 需水平，则会导致域的电压无法达到最优。这种低电压会致使 ADC 性能（SNR 和SFDR）达不到最优。对于阻抗特性、最大 直流搭载能力以及铁氧体磁珠的DCR 应高度重视。 " q8 G6 F0 H" ]7 W* ~' H PCB 布局考虑 为了最大程度减少开关稳压器和ADC 之间的干扰，DC-DC 转换 器及其开关元件应放置在远离任何磁性元件对ADC 造成干扰的 地方（比如前段匹配网络或时钟网络）。进行DC-DC 转换器布 局设计时，两级滤波器应当尽量靠近DC-DC 转换器，以便最大 程度降低环路电流。 结论 $ m5 v0 D. P- @ RF 采样（或GSPS）ADC 可对宽带宽进行数字化处理，在系统 设计方面具有独特的优势。针对这些GSPS ADC，业界正在力求 降低电源设计的复杂度、尺寸和成本。若足够重视设计、元件选 型和PCN 布局，则能够为GSPS ADC 供电的低噪声、高性价比 PDN 是有可能实现的。因此，经过部署后，开关稳压器还有助 于改善电源系统的效率，并节省运作成本和BOM，同时不会影 响性能。

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