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

作者：ADI公司 John Martin Dela Cruz 和 Patrick Errgy Pasaquian

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。有人問到：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?a href="http://ttokpm.com/tags/數(shù)字電源/" target="_blank">數(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，開關(guān)穩(wěn)壓器的1/f噪聲沒有超過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?？梢钥闯?，LT8653S的1/f噪聲沒有超過最大允許紋波閾值，LC濾波器足以將LT8653S的基本開關(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)四通道降壓開關(guān)和三個(gè)LDO穩(wěn)壓器構(gòu)成）的性能。從組件大小來看，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，沒有可見的邊帶雜散，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噪聲和基波開關(guān)雜散超過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)壓器開關(guān)雜散會(huì)超過最大允許紋波閾值。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，沒有可見的邊帶雜散。

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?！半娫凑{(diào)制比揭秘：PSMR與PSRR有何不同？” ADI公司，2018年12月。

Delos、Peter和Jarrett Liner?！案倪M(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?！拌F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電源域非常見問題解答” 模擬對(duì)話，第52卷第2期，2018年5月。

作者

John Martin Dela Cruz

John Martin Dela Cruz于2020年10月加入ADI公司，擔(dān)任電源應(yīng)用工程師。他主要負(fù)責(zé)航空航天和防務(wù)（ADEF）電源系統(tǒng)。他畢業(yè)于菲律賓大學(xué)（位于菲律賓奎松市迪里曼），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

Patrick Errgy Pasaquian

Patrick Errgy Pasaquian已在ADI公司工作七年。他于2014年加入ADI，目前擔(dān)任航空航天和防務(wù)（ADEF）電源系統(tǒng)部電源應(yīng)用工程師。他曾擔(dān)任過應(yīng)用開發(fā)、設(shè)計(jì)評(píng)估、ADEF信號(hào)鏈連接電源和EngineerZone及Who’s who的客戶支持等工程職務(wù)。他撰寫過多篇論文并在ADI綜合技術(shù)大會(huì)（GTC）、亞洲技術(shù)研討會(huì)（ATS）和ADI菲律賓技術(shù)研討會(huì)（ADTS）上展示了多個(gè)項(xiàng)目。他畢業(yè)于菲律賓伊洛里奧市菲律賓中部大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。