技术文章 为GSPS或RF采样ADC供 电：开关与LDO Umesh Jayamohan 高速转换器 应用工程师 ADI公司 | | 分享至LinkedIn 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 电子邮件 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。 模拟简介 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) 通常建议GSPS ADC使用的PDN 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 高带宽、高采样速率ADC(或GSPS ADC)可以具有多个电源域(比如 测试和测量再到军事和航空航天——此处仅举数例——这些系 AVDD或DVDD)。随着尺寸的缩小，不仅电源域的数量增加，为 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。 ADC供电所需的不同电压数量也有所增加。例如，AD92501是一 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 用180 nm CMOS工艺制造，具有3个域：AVDD、DVDD和DRVDD。 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 然而，所有3个域都具有相同的电压：1.8 V。 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。 款14位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B双通道模数转换器，采 现在，来看一下AD96802：一款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。 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 12 V 1A ADP2384 3.8 V Filter 3.3 V 3A ADP124 ADP1740 3.3 V 2.5 V Filter Filter 3.3 V AVDD3 2.5 V LDO Switcher Filter Ferrite Bead AVDD2 Optional ADM7160 ADP2164 1.8 V Filter ADP1740 ADP130 Filter ADP1740 ADP130 1.8 V 1.25 V 1.25 V 1.25 V 1.25 V Filter 1.8 V SPIVDD Filter 1.25 V AVDD1 Filter 1.25 V AVDD1_SR Filter 1.25 V DVDD Filter 1.25 V DRVDD 图1. 用于AD9680评估板的默认PDN 请访问：analog.com/cn Notes: 1. Switcher output stage filter not shown. 2. LDO outputs have been adjusted for the dc voltage drops across ferrite bead. 3. SPIVDD supports 1.8 V to 3.3 V. 2 为GSPS或RF采样ADC供电：开关与LDO ADP23843和ADP21644 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。 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。 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 显而易见，这是一种昂贵的解决方案，有7个LDO稳压器，每 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 个域一个。这款PDN也许是性能最优的，但肯定不是最具性 保DC-DC转换器的操作稳定性，从而不影响ADC性能。ADP2164 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 驱动AD9680所有1.25 V域(AVDD1、AVDD1_SR、DVDD和DRVDD)的 个ADC的系统非常有难度。例如，相控阵雷达方案包含成百个 PDN如图3所示。 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。 3.3 V PVIN L1 SW L2 C1 1.8 V C2 ADP2164 C3 Cf ADP1740/ ADP1741 1.25 V C4 AVDD1 C5 E1 Rf1 AVDD1_SR FB Rb C7 Rf2 C8 E2 DVDD C10 C11 E3 DRVDD C13 ADP1741 2.5 V C16 C15 AVDD2 C17 E5 3.3 V C18 C14 E4 AVDD3 E6 C19 图2. AD9680评估板的简化PDN 3.3 V PVIN SW L1 L2 C1 1.25 V C2 ADP2164 Cf C4 AVDD1 E1 C5 Rf1 AVDD1_SR FB Rb C7 Rf2 E2 C8 DVDD C10 E3 C11 DRVDD C13 ADP1741 C15 E4 2.5 V C16 AVDD2 E5 3.3 V C18 图3. 使用DC-DC转换器为AD9680供电 C14 C17 AVDD3 E6 C19 请访问：analog.com/cn 仅使用DC-DC转换器为AD9680的1.25 V域供电的PDN (PDN #3)在各 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。 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 表1. 输电网络列表 PDN设置 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。 描述 基准 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 这可以解释PDN #3的0.2 dB优势。 PDN #1 使用基准电源为AD9680供电 评估板上的默认PDN (如图1所示) PDN #2 PDN #3 所有1.25 V域采用同一个LDO驱动 (如图2所示) 所有1.25 V域采用一个DC-DC转换器驱动(如图3所示) 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 快速傅立叶变换图 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。 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) 频率(MHz) 基准 63 170 340 450 765 985 1283 1725 1983 66.5 66.4 64.8 64.0 62.5 61.3 59.8 57.7 56.7 默认 (PDN #1) 66.5 66.1 64.5 63.7 62.2 61.0 59.5 57.4 56.4 简化 (PDN #2) 66.6 65.9 64.5 63.6 62.2 61.0 59.5 57.4 56.5 开关 (PDN #3) 66.7 66.2 64.7 63.8 62.3 61.1 59.5 57.5 56.6 简化 (PDN #2) 88 85 76 71 76 76 74 68 60 开关 (PDN #3) 83 84 76 71 82 83 75 67 60 图4. 170 MHz输入时的单音FFT，使用PDN #3 表3. SFDR性能对比(dBFS) 频率(MHz) 63 170 340 450 765 985 1283 1725 1983 基准 83 86 77 72 77 77 74 67 60 默认 (PDN #1) 82 85 76 72 76 76 74 67 60 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 2 议设置。 图5. 785 MHz输入时的单音FFT，使用PDN #3 3 4 为GSPS或RF采样ADC供电：开关与LDO 图6. 170 MHz输入时的1.2 MHz边带开关杂散 杂散水平 = –105 dBFS 图7. 785 MHz输入时的1.2 MHz边带开关杂散 杂散水平 = –94 dBFS 开关杂散 和稳定性特征。ADIsimPE是一款使用方便、功能强大的工具， 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 可帮助系统工程师设计、优化和分析电源网络。 检查DC-DC转换器部署的杂散成分。此时，采用谨慎仔细的布 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 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 输出，采用ADIsimPE仿真。此处显示的纹波约为3 mV p-p。 源可以协助测量开关电源噪声5,6。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 1.282 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 1.28 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。 1.278 Stage 1 Output Stage 2 Output 通过了解PSRR (电源抑制比)或ADC的电源域，可估算边带杂散 1.276 7 水平。 1.274 DC-DC转换器开关电路仿真 1.272 使用诸如ADIsimPE等工具，可以仿真DC-DC转换器输出端的两级 8 滤波器。图8显示了ADIsimPE原理图，用来仿真PDN的输出噪声 Leff = dcr = 6 mΩ 470 nH V3 CIN LIN 10 µF esr = 2 mΩ n=1 10 Ω RVIN U1 VIN J2 V2 V1 J3 Sync 2 RT RT 45.3 kΩ ICstatus • Run • OVP • ILim it • Neg Ilim • PSM • Dropout TRK CVREG 100 nF 图9. ADIsimPE仿真的一级和二级输出 100 kΩ Rpg ADP2164 ADJ En 1 PVIN PGOOO 205.5 206 206.5 207 207.5 208 208.5 209 209.5 Time/µs 500 ns/Div SW SW Leff = 2.2 µH L1 COUT1 22 µF esr = 10 mΩ n=2 FB AGND dcr = 13 mΩ PGND VL1 Leff = 1 µH dcr = 6 mΩ L2 COUT2 100 nF esr = 2.1 mΩ n=1 Rf1 Rf3 21 kΩ 5 kΩ Rf2 23.2 kΩ 图8. ADP2164驱动1.25 V域的ADIsimPE原理图 VOUT COUT3 47 µ esr = 2.1 mΩ n=4 = Out/In In Out VOUT 1.12 mΩ R4 请访问：analog.com/cn 表4. 图2中的PDN物料清单 索引标识符 C1 C2 Cf C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, 14, C15, C16, 17, C18, C19 E1, E2, E3, E4, E5, E6 L1 L2 Rf1 Rf2 Rb 数量 描述 制造商 部件编号 数值 1 4 1 22 μF、6.3 V、X5R 0805电容 22 μF、6.3 V、X5R 0805电容 0.1 μF、10 V、X5R 0402电容 Murata Murata Murata GRM21BR60J226ME39L GRM21BR60J226ME39L GRM155R61A104KA01D 22 μF 22 μF 0.1 μF 17 4.7 μF、6.3 V、X5R 0402电容 Murata GRM155R60J475ME47D 4.7 μF 6 1 1 1 1 1 铁质片10 Ω 0402 1.0 μH屏蔽电源电感，10 mΩ 2.2 μH屏蔽电源电感，0.1 Ω 4.99 kΩ、1% 1、W/10 W 0402电阻 41.2 kΩ、1% 1、W/10 W 0402电阻 23.2 kΩ、1% 1、W/10 W 0402电阻 IC、REG、降压ADJ、4 A、同步、 16引脚 LFCSP IC、REG、LDO、ADJ、2 A、 16引脚 LFCSP IC、REG、LDO、ADJ、0.3 A、 5引脚 TSOT-23 Murata Coilcraft Coilcraft Panasonic Panasonic Panasonic BLM15AX100SN1D XAL5030-102ME ME3220-222ML ERJ-2RKF4991X ERJ-2RKF4122X ERJ-2RKF2322X 10 Ω 1.0 μH 2.2 μH 4.99 kΩ 41.2 kΩ 23.2 kΩ Analog Devices ADP2164ACPZ-R7 Analog Devices ADP1741ACPZ-R7 Analog Devices ADP171AUJZ-R7 ADP2164 1 ADP1741 3 ADP171 2 物料清单 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 9,10 直流偏置下最多可能下降50%。 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 BOM成本。BOM成本是在一个使用广泛的电子元件供应商网站 性能的开关噪声和纹波。 上通过计算千片订量价格估算的。 铁氧体磁珠选型 元件选型和布局 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 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。 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。 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 11 力以及铁氧体磁珠的DCR应高度重视。 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。 致谢 Justin Correll为测量和数据收集作出了贡献，在此表示衷心感谢。 电容选择 结论 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 RF采样(或GSPS)ADC可对宽带宽进行数字化处理，在系统设计方 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 源设计的复杂度、尺寸和成本。若足够重视设计、元件选型和 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 PCN布局，则能够为GSPS ADC供电的低噪声、高性价比PDN是有 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 可能实现的。因此，经过部署后，开关稳压器还有助于改善电 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 源系统的效率，并节省运作成本和BOM，同时不会影响性能。 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 面具有独特的优势。针对这些GSPS ADC，业界正在力求降低电 5 参考文献 作者简介 1 AD9250。ADI公司。 2 AD9680。ADI公司。 3 ADP2384。ADI公司。 4 ADP2164。ADI公司。 位，于2002年获得美国亚利桑那州立大学电气工程硕士学 5 Akdrick Limjoco。“了解开关调节器的输出，加快电源设计” 位。Umesh是ADI EngineerZone® 高速ADC支持社区的一员。 模拟对话，第48卷，第3期。 欢迎通过EngineerZone联系UmeshJ。EngineerZone可免费注册 6 “Ericsson电源模块的输出纹波和噪声测量方法”Ericsson。 使用。 7 Rob Reeder。“高速ADC的电源设计”ADI公司。 8 ADIsimPE。ADI公司。 9 GRM21BR60J226ME39L。Murata。 访问ADI在线支持社区，与ADI Istvan Novak、Kendrick Barry Williams、Jason R. Miller、Gustavo 技术专家互动。提出您的棘 Blando和Nathaniel 手设计问题、浏览常见问题 10 11 Umesh Jayamohan是ADI公司高速转换器部门 ( 位于北卡罗 来纳州格林斯博罗 ) 的应用工程师，于2010年加入ADI公 司。Umesh于1998年获得印度喀拉拉大学电气工程学士学 REFDES Qty Description MFG Part Number Value 在线支持社区 Shannon。“电容的直流和交流偏置依 赖性”DesignCon 2011。 解答，或参与讨论。 Jefferson Eco和Akdrick Limjoco。AN -1368应用笔记。铁氧体磁珠 ezchina.analog.com ዐ࿔रຍஃ༇ 揭秘。ADI公司。 全球总部 大中华区总部 深圳分公司 北京分公司 武汉分公司 One Technology Way 上海市浦东新区张江高科技园区 深圳市福田中心区 北京市海淀区 湖北省武汉市东湖高新区 P.O. Box 9106, Norwood, MA 祖冲之路 2290 号展想广场 5 楼 益田路与福华三路交汇处 上地东路 5-2 号 珞瑜路 889 号光谷国际广场 02062-9106 U.S.A. 邮编 : 201203 深圳国际商会中心 京蒙高科大厦 5 层 写字楼 B 座 2403-2405 室 Tel: (1 781) 329 4700 电话 : (86 21) 2320 8000 4205-4210 室 邮编 : 100085 邮编 : 430073 Fax: (1 781) 461 3113 传真 : (86 21) 2320 8222 邮编 : 518048 电话 : (86 10) 5987 1000 电话 : (86 27) 8715 9968 电话 : (86 755) 8202 3200 传真 : (86 10) 6298 3574 传真 : (86 27) 8715 9931 传真 : (86 755) 8202 3222 ©2016 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 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