如何利用开关稳压器为GSPS ADC 供电

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。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。

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。

通常建议GSPS ADC 使用的PDN

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。

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。


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。

用于GSPS ADC 的更简单的PDN

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。


图2. AD9680评估板的简化PDN。

驱动AD9680 的DC-DC 转换器

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。

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

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。


表2. SNR 性能对比 (dBFS)


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。