優(yōu)化信號(hào)鏈的電源系統(tǒng) — 第2部分：高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

簡(jiǎn)介

在"電源系統(tǒng)優(yōu)化"系列文章的 第1部分 ，我們介紹了如何量化電源噪聲靈敏度，以及如何將這些量值與信號(hào)鏈中產(chǎn)生的實(shí)際影響聯(lián)系起來(lái)。有人問(wèn)到：高性能模擬信號(hào)處理器件要實(shí)現(xiàn)出色性能，真正的噪聲限值是多少?噪聲只是設(shè)計(jì)配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)時(shí)的一個(gè)可測(cè)量的參數(shù)。如 第1部分所述，如果單純只是最小化噪聲，可能需要以增大尺寸、提高成本或者降低效率為代價(jià)。優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)可以改善這些參數(shù)，同時(shí)將噪聲降低到必要的水平。

本文在闡述高性能信號(hào)鏈中電源紋波的影響的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析。我們將深入探討如何優(yōu)化高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的配電網(wǎng)絡(luò)。

我們將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PDN與經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PDN進(jìn)行比較，了解在哪些方面可以實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間和成本優(yōu)化。后續(xù)文章將探討適合其他信號(hào)鏈器件(例如RF收發(fā)器)的特定優(yōu)化解決方案。

AD9175雙通道12.6 GSPS高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)優(yōu)化

AD9175 是一款高性能、雙通道、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，支持高達(dá)12.6 GSPS的DAC采樣速率。該器件具有8通道、15.4 Gbps JESD204B數(shù)據(jù)輸入端口、高性能片內(nèi)DAC時(shí)鐘倍頻器和數(shù)字信號(hào)處理功能，適合單頻段和多頻段直接至射頻(RF)無(wú)線應(yīng)用。

圖1.集成在現(xiàn)成評(píng)估板上的AD9175高速DAC的標(biāo)準(zhǔn)PDN

我們來(lái)看看如何為這個(gè)雙通道高速DAC優(yōu)化PDN。圖1顯示安裝在現(xiàn)成評(píng)估板上的AD9175高速DAC的標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)絡(luò)。該P(yáng)DN由一個(gè)ADP5054分立式四通道開(kāi)關(guān)和三個(gè)低壓降(LDO)后置穩(wěn)壓器構(gòu)成。旨在驗(yàn)證是否可以改進(jìn)和簡(jiǎn)化該P(yáng)DN，同時(shí)確保其輸出噪聲不會(huì)導(dǎo)致DAC性能大幅下降。

AD9175需要8個(gè)電源軌，可以分為4組，分別是：

1 V模擬(2個(gè)電源軌)

1 V數(shù)字(3個(gè)電源軌)

1.8 V模擬(2個(gè)電源軌)

1.8 V數(shù)字(1個(gè)電源軌)

分析：噪聲要求

在我們實(shí)施優(yōu)化之前，必須先了解這些電源軌的電源靈敏度。我們將重點(diǎn)討論模擬電源軌，因?yàn)橄啾葦?shù)字電源軌，它們對(duì)噪聲更加敏感。

模擬電源軌的電源調(diào)制比(PSMR)如圖2所示。注意，1 V模擬電源軌在1/f頻率區(qū)域內(nèi)較為敏感，而1.8 V模擬電源軌在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍(100 kHz至約1 MHz)內(nèi)更敏感。

圖2.1 V模擬電源軌和1.8 V模擬電源軌上的AD9175高速DAC PSMR

一種優(yōu)化方法是使用帶有LC濾波器的低噪聲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。圖3顯示 LT8650S Silent Switcher®穩(wěn)壓器(帶和不帶LC濾波器)在展頻(SSFM)模式關(guān)閉時(shí)的傳導(dǎo)頻譜輸出。如 第1部分所述，SSFM可以降低開(kāi)關(guān)頻率噪聲幅度，但會(huì)因?yàn)槿钦{(diào)制頻率在1/f區(qū)域產(chǎn)生噪聲峰值。由于1/f噪聲已小幅偏離該閾值，增加的噪聲可能超過(guò)此電源軌的最大允許紋波閾值。因此，不建議在這種情況下使用SSFM。最大允許電壓紋波閾值代表電源紋波電平，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，DAC載波信號(hào)中的邊帶雜散將出現(xiàn)在DAC輸出頻譜的1 μV p-p本底噪聲上方。

從這些結(jié)果可以看出，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的1/f噪聲沒(méi)有超過(guò)1 V模擬電源軌的最大允許紋波閾值。此外，LC濾波器足以將LT8650S的基本開(kāi)關(guān)紋波和諧波降至最大允許紋波閾值以下。

圖3.LT8650S傳導(dǎo)頻譜輸出與1 V模擬電源軌的最大允許紋波閾值之間的關(guān)系

圖4顯示 LT8653S (帶和不帶LC濾波器)的傳導(dǎo)頻譜輸出。如圖所示，1.8 V電源軌的最大允許電壓紋波不會(huì)在AD9175輸出頻譜的1 μV p-p本底噪聲內(nèi)產(chǎn)生雜散。可以看出，LT8653S的1/f噪聲沒(méi)有超過(guò)最大允許紋波閾值，LC濾波器足以將LT8653S的基本開(kāi)關(guān)紋波和諧波降至最大允許紋波閾值以下。

圖4.LT8653S傳導(dǎo)頻譜輸出與1.8 V模擬電源軌的最大允許紋波閾值之間的關(guān)系

結(jié)果：優(yōu)化PDN

圖5顯示AD9175的優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。旨在提高效率，降低空間要求以及圖1中PDN的功率損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AD9175出色的動(dòng)態(tài)性能。噪聲目標(biāo)是基于圖3和圖4所示的最大允許波紋閾值。

優(yōu)化的配電網(wǎng)絡(luò)由LT8650S和LT8653S Silent Switcher穩(wěn)壓器，以及模擬電源軌上的LC濾波器構(gòu)成。在這個(gè)PDN中，1 V模擬電源軌由LT8650S的VOUT1供電，LT8650S后接LC濾波器;1 V數(shù)字電源軌直接由同一個(gè)LT8650S的VOUT2供電，其后無(wú)需連接LC濾波器。對(duì)于AD9175，其數(shù)字電源軌對(duì)電源噪聲不太敏感，因此可以在不降低DAC動(dòng)態(tài)性能的情況下直接為這些電源軌供電。帶有LC濾波器的LT8653S直接為1.8 V模擬和1.8 V數(shù)字電源軌供電。

表1比較了優(yōu)化PDN和標(biāo)準(zhǔn)PDN(如圖1所示，由一個(gè)四通道降壓開(kāi)關(guān)和三個(gè)LDO穩(wěn)壓器構(gòu)成)的性能。從組件大小來(lái)看，優(yōu)化后的解決方案比標(biāo)準(zhǔn)解決方案減小70.2%。此外，效率從69.2%提高到83.4%，整體節(jié)能1.0 W。

圖5.AD9175高速DAC的優(yōu)化PDN

為了驗(yàn)證優(yōu)化PDN的噪聲性能是否足以滿足高性能技術(shù)規(guī)格要求，對(duì)AD9175進(jìn)行相位噪聲評(píng)估，并檢測(cè)載波周圍邊帶雜散的DAC輸出頻譜。1如表2所示，相位噪聲檢測(cè)結(jié)果在數(shù)據(jù)手冊(cè)技術(shù)規(guī)格規(guī)定的限值內(nèi)。AD9175輸出頻譜的載波頻率很干凈，沒(méi)有可見(jiàn)的邊帶雜散，如圖6所示。

圖6.使用優(yōu)化PDN的AD9175輸出頻譜(1.8 GHz、–7 dBFS載波)

表2.使用圖5中的優(yōu)化PDN時(shí)，AD9175在1.8 GHz載波下的相位噪聲

AD9213 10.25 GSPS高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)優(yōu)化

AD9213是一款單通道、12位、6 GSPS或10.25 GSPS、射頻(RF)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有6.5 GHz輸入帶寬。AD9213支持高動(dòng)態(tài)范圍頻率和需要寬瞬時(shí)帶寬和低轉(zhuǎn)換誤差率(CER)的時(shí)域應(yīng)用。AD9213具有16通道JESD204B接口，以支持最大帶寬能力。

圖7顯示現(xiàn)成評(píng)估板上AD9213高速ADC的標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè) LTM4644-1 μModule® 四通道開(kāi)關(guān)和兩個(gè)線性穩(wěn)壓器構(gòu)成。 該解決方案的大小和能效都較為高效，但它還可以改進(jìn)嗎?如本系列文章所述，優(yōu)化的第一步是量化AD9213的靈敏度——即實(shí)際設(shè)置PDN輸出噪聲的限值，以免導(dǎo)致ADC性能大幅下降。在這里，我們將介紹使用兩個(gè)μModule穩(wěn)壓器的另一種替代PDN解決方案，并比較該方案與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成解決方案的性能。

AD9213 10 GSPS ADC需要15個(gè)不同的電源軌，這些電源軌可以分為4組：

1 V模擬(3個(gè)電源軌)

1 V數(shù)字(6個(gè)電源軌)

2 V模擬(2個(gè)電源軌)

2 V數(shù)字(4個(gè)電源軌)

圖7.集成在現(xiàn)成評(píng)估板上的AD9213高速DAC的標(biāo)準(zhǔn)PDN

分析：噪聲要求

我們探討的優(yōu)化解決方案使用兩個(gè)μModule穩(wěn)壓器(LTM8024和LTM8074)和一個(gè)LDO后置穩(wěn)壓器取代LTM4644-1 μModule四通道開(kāi)關(guān)和兩個(gè)線性穩(wěn)壓器。

圖8.在2.6 GHz載波頻率下，AD9213高速ADC的1 V模擬電源軌和2 V模擬電源軌的PSMR

圖8顯示在2.6 GHz載波頻率下，AD9213的1 V模擬電源軌和2 V模擬電源軌的PSMR結(jié)果。1 V模擬電源軌的PSMR比2 V模擬電源軌更低，所以它更加敏感。

圖9顯示LTM8024(帶和不帶LDO穩(wěn)壓器)在強(qiáng)制連續(xù)模式(FCM)下的頻譜輸出。圖中還顯示最大允許電壓紋波閾值的疊加不會(huì)在AD9213輸出頻譜的–98 dBFS本底噪聲中產(chǎn)生雜散。直接為1 V模擬電源軌供電時(shí)，LTM8024輸出中未經(jīng)濾波的1/f噪聲和基波開(kāi)關(guān)雜散超過(guò)了最大允許紋波閾值。

為L(zhǎng)TM8024添加 ADP1764 LDO后置穩(wěn)壓器可將1/f噪聲、基本開(kāi)關(guān)紋波及其諧波降低至最大允許紋波閾值以下，如圖9所示。 需要在線性穩(wěn)壓器輸入端提供一些裕量電壓。在本例中，從LTM8024輸出1.3 V至后置穩(wěn)壓器的輸入。這個(gè)300 mV符合LDO穩(wěn)壓器的推薦裕量電壓規(guī)格，同時(shí)能夠最大限度降低其功率損耗;比標(biāo)準(zhǔn)解決方案使用的500 mV更為合適。

圖9.LTM8024頻譜輸出與1 V模擬電源軌的最大允許紋波閾值之間的關(guān)系

對(duì)于2 V電源軌：圖10顯示LTM8074 μModule穩(wěn)壓器(帶和不帶LC濾波器)在強(qiáng)制連續(xù)模式下的頻譜輸出。圖中也顯示了最大允許電壓紋波閾值。此閾值代表電源紋波電平，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，DAC載波信號(hào)中的邊帶雜散將出現(xiàn)在AD9213輸出頻譜的–98 dBFS本底噪聲上方。這里，與1 V模擬電源軌類似，直接為2 V模擬電源軌供電時(shí)，穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)雜散會(huì)超過(guò)最大允許紋波閾值。但是，不需要LDO穩(wěn)壓器，而是由LTM8074輸出端的LC濾波器將開(kāi)關(guān)雜散降低至最大允許紋波閾值以下。

圖10.LTM8074頻譜輸出與2 V模擬電源軌的最大允許紋波閾值之間的關(guān)系

結(jié)果：優(yōu)化PDN

圖11顯示根據(jù)電源靈敏度評(píng)估結(jié)果得到的優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。與標(biāo)準(zhǔn)解決方案一樣，它使用三個(gè)功率IC;在本例中，分別是LTM8024、LTM8074和ADP1764。在該解決方案中，LTM8024 μModule穩(wěn)壓器VOUT1由ADP1764進(jìn)行后置調(diào)節(jié)，以便為相對(duì)敏感的1 V模擬電源軌供電。1 V數(shù)字電源軌直接由LTM8024的VOUT2供電。與AD9175 DAC類似，AD9213的數(shù)字電源軌對(duì)電源噪聲不太敏感，因此可以直接為這些電源軌供電，并且不會(huì)降低DAC動(dòng)態(tài)性能。帶有LC濾波器的LTM8074為2 V模擬和2 V數(shù)字電源軌供電。

圖11.AD9213高速ADC的優(yōu)化PDN

表3比較了優(yōu)化PDN與現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)PDN的性能。如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)PDN使用一個(gè)四通道降壓開(kāi)關(guān)和兩個(gè)LDO穩(wěn)壓器。組件大小減小15.4%，效率從63.1%提高到73.5%，整體節(jié)能1.0 W。

為了驗(yàn)證優(yōu)化PDN的性能，從SFDR和SNR兩個(gè)方面對(duì)AD9213進(jìn)行評(píng)估，并檢查載波周圍邊帶雜散的FFT輸出頻譜。結(jié)果顯示，SNR和SFDR的性能在數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的技術(shù)規(guī)格限值范圍內(nèi)，如表4所示。圖12顯示AD9213的FFT輸出頻譜，其載波頻率很干凈，沒(méi)有可見(jiàn)的邊帶雜散。

圖12.使用圖11中的優(yōu)化PDN時(shí)，AD9213的FFT頻譜(2.6 GHz、–1 dBFS載波)

結(jié)論

高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)成評(píng)估板中包含配電網(wǎng)絡(luò)，旨在滿足這些信號(hào)處理IC的噪聲要求。即使這些評(píng)估板在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)了仔細(xì)考量，配電網(wǎng)絡(luò)仍有改進(jìn)的空間。本文研究了兩種PDN：一種適用于高速DAC，一種適用于高速ADC。與標(biāo)準(zhǔn)PDN相比，我們的優(yōu)化方案在空間要求、效率，尤其是重要的熱性能方面都有所改進(jìn)。通過(guò)使用替代設(shè)計(jì)，或當(dāng)前不可用的器件，可以進(jìn)一步改善某些參數(shù)。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注"電源系統(tǒng)優(yōu)化"系列文章，包括RF收發(fā)器的PDN優(yōu)化。

參考電路

1 Patrick Errgy Pasaquian and Pablo Perez, Jr。"優(yōu)化信號(hào)鏈的電源系統(tǒng) — 第1部分： 多少電源噪聲可以接受?" 模擬對(duì)話，第55卷第1期，2021年3月。

Delos, Peter。"電源調(diào)制比揭秘：PSMR與PSRR有何不同?" ADI公司，2018年12月。

Delos、Peter和Jarrett Liner。"改進(jìn)的DAC相位噪聲測(cè)量支持超低相位噪聲DDS應(yīng)用" 模擬對(duì)話，第51卷第3期，2017年8月。

"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本指南" ADI公司。

Umesh Jayamohan。 "為GSPS或RF采樣ADC供電：開(kāi)關(guān)與LDO" ，ADI公司，2015年11月。

Limjoco、Aldrick、Patrick Errgy Pasaquian和Jefferson Eco。 "Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為GSPS采樣ADC提供低噪聲供電，并節(jié)省一半空間" ADI公司，2018年10月。

Eco, Jefferson和Aldrick Limjoco。"鐵氧體磁珠揭秘" 模擬對(duì)話，第50卷第1期，2016年2月。

Umesh Jayamohan。 "高速ADC電源域非常見(jiàn)問(wèn)題解答" 模擬對(duì)話，第52卷第2期，2018年5月。