線性與開關(guān)電源有何不同之處？

通常我們都知道，RF 采樣(或 GSPS)ADC 可對寬帶寬進(jìn)行數(shù)字化處理，在系統(tǒng) 設(shè)計方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。針對這些 GSPS ADC，業(yè)界正在力求 降低電源設(shè)計的復(fù)雜度、尺寸和成本。若足夠重視設(shè)計、元件選 型和 PCN 布局，則能夠為 GSPS ADC 供電的低噪聲、高性價比 PDN 是有可能實現(xiàn)的。因此，經(jīng)過部署后，開關(guān)穩(wěn)壓器還有助 于改善電源系統(tǒng)的效率，并節(jié)省運(yùn)作成本和 BOM，同時不會影 響性能。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在任何依賴外部(模擬)世界收集信息進(jìn)行 (數(shù)字)處理的系統(tǒng)中都是不可或缺的組成部分。從通信接收機(jī) 到數(shù)字測試和測量再到軍事和航空航天—此處僅舉數(shù)例—這些 系統(tǒng)在不同的應(yīng)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) 門檻。對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這意味著能用于數(shù)字處理的采樣 帶寬越來越寬。出于環(huán)境和成本方面的考慮，系統(tǒng)設(shè)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(wěn)壓器為 GSPS(或 RF 采樣)ADC 供電，以便達(dá)到最 高性能。然而，這種方式的輸電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 效率不高。設(shè)計人員 對于使用開關(guān)穩(wěn)壓器直接為 GSPS ADC 供電且不會大幅降低 ADC 性能的方法呼聲漸高。

解決方案是謹(jǐn)慎地進(jìn)行 PDN 部署和布局布線，確保 ADC 性能不 受影響。本文討論了線性和開關(guān)電源的不同之處，并表明 GSPS ADC 與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器搭配使用可大幅改善系統(tǒng)能效，且不會影 響 ADC 性能。本文通過輸電網(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)可以具有多個電源 域(比如 AVDD 或 DVDD)。隨著尺寸的縮小，不僅電源域的 數(shù)量增加，為 ADC 供電所需的不同電壓數(shù)量也有所增加。例如，AD9250,1 是一款 14 位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B 雙通道 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用 180 nm CMOS 工藝制造，具有 3 個域：AVDD、 DVDD 和 DRVDD。然而，所有 3 個域都具有相同的電壓：1.8 V。

現(xiàn)在，來看一下 AD9680,2 ：一款 14 位、1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B 雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用 65 nm CMOS 工藝制造。這款 GSPS ADC 具有 7 個不同的域(AVDD1、 AVDD1_SR、AVDD2、AVDD3、DVDD、DRVDD 和 SPIVDD)， 以及 3 個不同的電壓：1.25 V、2.5 V 和 3.3 V。

ADP23843 和 ADP21644DC-DC 轉(zhuǎn)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(wěn)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、時鐘、數(shù)字和串行 器)之間具有正確的隔離，同時使性能最優(yōu)。正是因為這個原因， ADC 制造商才設(shè)計了評估板，并推薦詳細(xì)的電源設(shè)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(rèn) PDN 的功能框圖。根據(jù) Vita57.1 規(guī)格，電源輸 入來自 FMC(FPGA 夾層卡)連接器供應(yīng)的 12 V/1 A 和 3.3 V/3 A 電源。

圖 1. 用于 AD9680 評估板的默認(rèn) PDN

顯而易見，這是一種昂貴的解決方案，有 7 個 LDO 穩(wěn)壓器，每 個域一個。這款 PDN 也許是性能最優(yōu)的，但肯定不是最具性價 比或運(yùn)行成本效率最高的。系統(tǒng)設(shè)計人員認(rèn)為部署含有多個 ADC 的系統(tǒng)非常有難度。例如，相控陣?yán)走_(dá)方案包含成百個 AD9680，全都以同步方式工作。要求系統(tǒng)設(shè)計人員為上百個 ADC 的每一個電壓域都分配一個 LDO 穩(wěn)壓器是不合理的。

用于 GSPS ADC 的更簡單的 PDN

一種更具性價比的 PDN 設(shè)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，然后用同一個 LDO 來驅(qū) 動。這樣可以減少元件數(shù)(以及物料清單—BOM—成本)，這 可能適合某些設(shè)計。其簡化 PDN 如圖 2 所示;該圖為 AD9680 評估板的部署。在該部署中，整個 AD9680 都可以使用 3.3 V 輸入供電。

圖 2. AD9680 評估板的簡化 PDN

驅(qū)動 AD9680 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

通過移除為 1.25 V 域供電的單個 LDO，還可進(jìn)一步簡化 PDN。 這是最高效、最具性價比的解決方案。這種方案的困難之處在于 確保 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的操作穩(wěn)定性，從而不影響 ADC 性能。 ADP2164 驅(qū)動 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(zhuǎn)換器為 AD9680 供電