RF ADC为什么有如此多不同的电源轨和电源域?
mouser 2021-06-08

问题:

高速ADC为什么有如此多电源域?

“”

答案:

在采样速率和可用带宽方面,当今的射频模数转换器(RF ADC)已有长足的发展。其中还纳入了大量数字处理功能,电源方面的复杂性也有提高。那么,当今的RF ADC为什么有如此多不同的电源轨和电源域?

为了解电源域和电源的增长情况,我们需要追溯ADC的历史脉络。早在ADC不过尔尔的时候,采样速度很慢,大约在数十MHz内,而数字内容很少,几乎不存在。电路的数字部分主要涉及如何将数据传输到数字接收逻辑——专用集成电路(ASI C)或现场可编程门阵列(F PG A)。用于制造这些电路的工艺节点几何尺寸较大,约在180 nm或更大。使用单电压轨(1.8 V )和两个不同的域(AVDD和DVDD,分别用于模拟域和数字域),便可获得足够好的性能。

随着硅处理技术的改进,晶体管的几何尺寸不断减小,意味着每mm2面积上可以容纳更多的晶体管(即特征)。但是,人们仍然希望ADC实现与其前一代器件相同(或更好)的性能。现在,ADC的设计采取了多层面方法,其中:

● 采样速度和模拟带宽必须得到改善
● 性能必须与前一代相同或更好
● 纳入更多片内数字处理功能来辅助数字接收逻辑

下面将进一步讨论上述各方面特性以及它们对芯片设计构成怎样的挑战。

需要高速度

在CMOS技术中,提高速度(带宽)的最普遍方法是让晶体管几何尺寸变小。使用更精细的CMOS晶体管可降低寄生效应,从而有助于提高晶体管的速度。晶体管速度越快,则带宽越宽。数字电路的功耗与开关速度有直接关系,与电源电压则是平方关系,如下式所示:

“”

其中:

P为功耗

CLD 为负载电容

V 为电源电压

fSW 为开关频率

几何尺寸越小,电路设计人员能实现的电路速度就越快,而每MHz每个晶体管的功耗与上一代相同。以 AD9680 和 AD9695为例,二者分别采用65 nm和28 nm CMOS技术设计而成。在1.25 GSPS和1.3GSPS时,AD9680和AD9695的功耗分别为3.7 W和1.6 W。这表明,架构大致相同时,采用28 nm工艺制造的电路功耗比采用65 nm工艺制造的相同电路的功耗要低一半。因此,在消耗相同功率的情况下,28 nm工艺电路的运行速度可以是65 nm工艺电路的一倍。AD9208很好地说明了这一点。

裕量最重要

对更宽采样带宽的需求促使业界采用更精细的几何尺寸,不过对数据转换器性能(如噪声和线性度)的期望仍然存在。这对模拟设计提出了独特的挑战。转向更小几何尺寸的一个不希望出现的结果是电源电压降低,这使得开发模拟电路以工作在高采样速率并保持相同的噪声/线性度性能所需的裕量大大降低。为了克服这一限制,电路设计有不同的电压轨以提供所需的噪声和线性度性能。例如在A D9208中,0.975 V电源为需要快速切换的电路供电。这包括比较器和其他相关电路,以及数字和驱动器输出。1.9 V电源为基准电压和其他偏置电路供电。2.5 V电源为输入缓冲器供电,而要在高模拟频率下工作,裕量必须很高。没有必要为缓冲器提供2.5 V电源,它也可以工作在1.9 V。电压轨的降低会导致线性度性能下降。数字电路不需要裕量,因为最重要的参数是速度。所以,数字电路通常以最低电源电压运行,以获取CMOS开关速度和功耗的优势。这在新一代ADC中很明显,最低电压轨已降低至0.975 V。下面的表1列出了若干代的一些常见ADC。

表1:产品比较

“”

隔离是关键

随着业界转向深亚微米技术和高速开关电路,功能集成度也在提高。以 AD9467 和A D9208为例,AD9467采用180 nm BiCMOS工艺,而AD9208采用28 nm CMOS工艺。当然,AD9467的噪声密度约为-157 dBF S/Hz,而AD9208的噪声密度约为-152 dBF S/Hz。但是,如果拿数据手册做一个简单的计算,取总功耗(每通道)并将其除以分辨率和采样速率,就可以看到AD9467的功耗约为330μW/位/MSPS,而AD9208仅为40μW/位/MSPS。与AD9467相比,AD9208具有更高的采样速率(3 GSPS对250 MSPS)和高得多的输入带宽(9 GHz对0.9 GHz),并且集成了更多数字特性。AD9208可以完成所有这些工作,每位每MSPS的功耗只有大约1/8。每位每MSPS的功耗不是工业标准指标,其在本例中的作用是突出ADC设计中使用更小尺寸工艺的好处。当超快电路在非常近的距离内运行时,各个模块之间总会存在耦合或震颤的风险。为了改善隔离,设计者必须考虑各种耦合机制。最明显的机制是通过共享电源域。如果电源域尽可能远离电路,那么共享同一电压轨(AD9208为0.975 V)的数字电路和模拟电路发生震颤的可能性将非常小。在硅片中,电源已被分开,接地也是如此。封装设计继续贯彻了这种隔离电源域处理。由此所得的同一封装内不同电源域和地的划分,如表2所示,其以AD9208为例。

表2:AD9208电源域和接地域

“”

显示AD9208各不同域的引脚排列图如图1所示。

“图1.图1. AD9208引脚配置(顶视图)

这可能会让系统设计人员惊慌失措。乍一看,数据手册给人的印象是这些域需要分开处理以优化系统性能。

看不到尽头?

情况并不像看起来那么可怕。数据手册的目的仅仅是唤起人们对各种敏感域的关注,让系统设计人员可以关注PDN(电源输送网络)设计,对其进行适当的划分。共享相同供电轨的大多数电源域和接地域可以合并,因此PDN可以简化。这导致BOM(物料清单)和布局得以简化。根据设计约束,图2和图3显示了AD9208的两种PDN设计方法。

“图2.图2. AD9208引脚配置(顶视图)
“图3.图3. AD9208 PDN,DC-DC转换器为所有域供电

通过充分滤波和布局分离,各个域可以合理布置,使得ADC性能最大化,同时降低BOM和PDN复杂性。各接地域采用开尔文连接方法也会改善隔离。从网表角度来看,仍然只有一个GND网。电路板可以划分为不同接地域以提供充分的隔离。在AD9208的评估板AD9208-3000EBZ中,不同接地分区在第9层上形成开尔文连接。图4所示为10层PCB(印刷电路板)AD9208-3000EBZ的横截面,其显示了不同GND连接。

“图4.图4. AD9208下方的AD9208-3000 EBZ PCB横截面

所以,这不是世界末日?

绝对不是。仅仅因为AD9208数据手册显示了所有这些域,并不意味着它们在系统板上必须全部分离。了解系统性能目标和ADC目标性能对优化ADC的PDN起着重要作用。在电路板上使用智能分区以减少不必要的接地回路,是将各个域之间的串扰降到最低的关键。适当地共享电源域,同时满足隔离要求,将能简化PDN和BOM。

作者

Umesh Jayamohan

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位,于2002年获得美国亚利桑那州立大学电气工程硕士学位。 

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 电源
  • DC
  • AC
  • 稳压
  • 开关电源常见的基本拓扑结构

    1、基本名词     常见的基本拓扑结构     ■Buck降压     ■Boost升压     ■Buck-Boost降压-升压     ■Flyback反激     ■Forward正激     ■Two-Transistor Forward双晶体管正激     ■Push-Pull推挽     ■Half Bridge半桥     ■Full Bridge全桥     ■S

    05-10
  • LLC开关电源计算过程推导

     免费申请开发板  推荐阅读: 点击下方『面包板社区』卡片关注我们, 每天学点电子技术干货 ▲ 点击关注,后台回复"关键词",领取300 G学习资料包!  内容合作 | 视频、课程合作 | 开发板合作| 转载开白  请联系小助手微信:15889572951(微信同号) 点击阅读

    05-06
  • 移相全桥电源12种工作模态

    在早期的大功率电源(输出功率大于1KW)应用中,硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种,其特点是开关频率固定,开关管承受的电压与电流应力小,便于控制,特别是适合于低压大电流,以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗,无

    05-07
  • 大牛总结:六种DC/DC变换电路分析比较

    基本原理 直流-直流降压变换器(BUCK变换器) 直流-直流升压变换器(BOOST变换器) 直流降压升压变换器(BUCK-BOOST变换器) 直流升压降压变换器(CUK变换器) 两象限/四象限直流-直流变换器 单端正激变换器 单端反激变换器 *本文系网络转载,版权归原作者所有,如有

    04-29
  • 肖特基二极管有什么特别之处?

    注| 文末留言有福利 提到低功耗、大电流、超高速半导体器件,很多工程师同学肯定能首先想到肖特基二极管(SBD)。 但是你真的会用肖特基二极管吗?和其他的二极管比起来,肖特基二极管又有什么特别之处呢?下面一起来 划重点 吧! 0 1 肖特基二极管的关键参数

    04-27
  • 分析实例:了解DC/DC变换器一些常见的问题

    先介绍几个应用实例从这些应用实例中,了解如何分析DC/DC变换器设计中的问题及解决方法,从常见的buck电路,在平时设计和调试过程中,从DCDC变换器性能,功能设置,控制环设计,板子布局和测试技巧,通过这些分析实例能了解DCDC电路中在试机阶段快速解决掉一

    04-26
  • 图解BUCK电路及PCB布局

    Buck架构: 当开关闭合的时候: 当开关断开的时候: 根据伏秒平衡定理可得: (Vin-Vout)*DT=Vout(1-D)T===>Vin/Vout=D<1 在实际DCDC应用中: 当Q1闭合的时候,在图1-a中,红线示出了当开关元件Q1导通时转换器中的主电流流动。CBYPASS是高频的去耦电容器,CI

    04-25
  • 开关电源公式与对应电路

    1 Buck 变换器的功率器件设计公式 (1):Buck 变换器的电路图: (2):Buck 变换器的主要稳态规格: (3):功率器件的稳态应力: -- 有源开关 S: -- 无源开关 D: 上述公式是稳态工作时,功率器件上的电压、电流应力。选择功率器件时,其电压耐量可放一个

    04-23
  • 为什么PWM驱动芯片用图腾柱?

    推挽电路的应用非常广泛,比如单片机的推挽模式输出,PWM控制器输出,桥式驱动电路等。推挽的英文单词:Push-Pull,顾名思义就是推-拉的意思。所以推挽电路又叫推拉式电路。 图1:锯木头 推挽电路有很多种,根据用法的不同有所差异,但其本质都是功率放大,增

    04-23
  • 开关电源的输入滤波器(共模、差模)

    开关电源的输入滤波器 开关电源的输入滤波器是针对共模噪声和差模噪声,分别采用适合不同噪声特性的滤波器。 差模滤波器 共模滤波器采用电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等。图例中是使用了LC的π型滤波器。各部件对噪声具有如下作用: 电容器:将噪声电流旁路

    04-21
  • 入门级电源工程师常遇到的问题

    先上图 一些入门级的电源工程师常遇到这样一个问题,在电路图中的Vcc接芯片的地方加入了一个12V左右稳压管。目的是为了保证芯片的电压上限,意图很明确,稳压管能够保护芯片不会因为电压过高问题而烧毁。看上去没啥毛病,但实际上很危险。 我们一起来初步分析

    04-19
  • 电源控制环路的设计计算

    引言 作为工程师,每天接触的是电源的设计工程师,发现不管是电源的老手,高手,新手,几乎对控制环路的设计一筹莫展,基本上靠实验.靠实验当然是可以的,但出问题时往往无从下手,在这里我想以反激电源为例子(在所有拓扑中环路是最难的,由于RHZ 的存在),大概说一下怎

    04-16
下载排行榜
更多
广告
X
广告