标签：优化,信号,回收,电子,系统,部分,高速,数据,转换 2021/7/5 8:42:39 预览次
作者：ADI公司 John MarTIn Dela Cruz 和 Patrick Errgy Pasaquian
简介
在“回收电子料源系统优化”系列文章的 第1部分 ，我们介绍了如何量化回收电子料源噪声灵敏度，以及如何将这些量值与信号链中产生的现实影响联系起来。有人问到：高性能模拟信号处理器件要实现出色性能，真正的噪声限值是多少？噪声只是设计配回收电子料网络（PDN）时的一个可测量的参数。如 第1部分所述，假如单纯只是最小化噪声，可能必要以增大尺寸、进步成本或者降低服从为代价。优化配回收电子料网络可以改善这些参数，同时将噪声降低到需要的水平。
本文在阐述高性能信号链中回收电子料源纹波的影响的基础上进一步分析。我们将深入探究如何优化高速数据转换器的配回收电子料网络。
我们将对标准PDN与经过优化的PDN进行比较，了解在哪些方面可以实现空间、时间和成本优化。后续文章将探究适合其他信号链器件（例如RF收发器）的特定优化解决方案。
AD9175双通道12.6 GSPS高速数模转换器的回收电子料源系统优化
AD9175 是一款高性能、双通道、16位数模转换器（DAC），支撑高达12.6 GSPS的DAC采样速率。该器件具有8通道、15.4 Gbps JESD204B数据输入端口、高性能片内DAC时钟倍频器和数字信号处理功能，适合单频段和多频段直接至射频（RF）无线应用。
图1.集成在现成评估板上的AD9175高速DAC的标准PDN。
我们来看看如何为这个双通道高速DAC优化PDN。图1表现安装在现成评估板上的AD9175高速DAC的标准配回收电子料网络。该PDN由一个ADP5054分立式四通道开关和三个低压降（LDO）后置稳压器构成。旨在验证是否可以改进和简化该PDN，同时确保其输出噪声不会导致DAC性能大幅降落。
AD9175必要8个回收电子料源轨，可以分为4组，分别是：
·1 V模拟（2个回收电子料源轨）
·1 V数字（3个回收电子料源轨）
·1.8 V模拟（2个回收电子料源轨）
·1.8 V数字（1个回收电子料源轨）
分析：噪声要求
在我们实施优化之前，必须先了解这些回收电子料源轨的回收电子料源灵敏度。我们将重点讨论模拟回收电子料源轨，由于相比数字回收电子料源轨，它们对噪声更加敏感。
模拟回收电子料源轨的回收电子料源调制比（PSMR）如图2所示。细致，1 V模拟回收电子料源轨在1/f频率区域内较为敏感，而1.8 V模拟回收电子料源轨在开关转换器的工作频率范围（100 kHz至约1 MHz）内更敏感。
图2.1 V模拟回收电子料源轨和1.8 V模拟回收电子料源轨上的AD9175高速DAC PSMR。
一种优化方法是使用带有LC滤波器的低噪声开关稳压器。图3表现 LT8650S Silent Switcher?稳压器（带和不带LC滤波器）在展频（SSFM）模式关闭时的传导频谱输出。如 第1部分所述，SSFM可以降低开关频率噪声幅度，但会由于三角调制频率在1/f区域产生噪声峰值。因为1/f噪声已小幅偏离该阈值，增长的噪声可能超过此回收电子料源轨的最大许可纹波阈值。因此，不建议在这种情况下使用SSFM。最大许可回收电子料压纹波阈值代表回收电子料源纹波回收电子料平，当超过该值时，DAC载波信号中的边带杂散将出如今DAC输出频谱的1 μV p-p本底噪声上方。
从这些效果可以看出，开关稳压器的1/f噪声没有超过1 V模拟回收电子料源轨的最大许可纹波阈值。此外，LC滤波器足以将LT8650S的基本开关纹波协调波降至最大许可纹波阈值以下。
图3.LT8650S传导频谱输出与1 V模拟回收电子料源轨的最大许可纹波阈值之间的关系。
图4表现 LT8653S （带和不带LC滤波器）的传导频谱输出。如图所示，1.8 V回收电子料源轨的最大许可回收电子料压纹波不会在AD9175输出频谱的1 μV p-p本底噪声内产生杂散。可以看出，LT8653S的1/f噪声没有超过最大许可纹波阈值，LC滤波器足以将LT8653S的基本开关纹波协调波降至最大许可纹波阈值以下。
图4.LT8653S传导频谱输出与1.8 V模拟回收电子料源轨的最大许可纹波阈值之间的关系。
效果：优化PDN
图5表现AD9175的优化配回收电子料网络。旨在进步服从，降低空间要求以及图1中PDN的功率损耗，同时实现AD9175出色的动态性能。噪声目标是基于图3和图4所示的最大许可波纹阈值。
优化的配回收电子料网络由LT8650S和LT8653S Silent Switcher稳压器，以及模拟回收电子料源轨上的LC滤波器构成。在这个PDN中，1 V模拟回收电子料源轨由LT8650S的VOUT1供回收电子料，LT8650S后接LC滤波器；1 V数字回收电子料源轨直接由统一个LT8650S的VOUT2供回收电子料，厥后无需连接LC滤波器。对于AD9175，其数字回收电子料源轨对回收电子料源噪声不太敏感，因此可以在不降低DAC动态性能的情况下直接为这些回收电子料源轨供回收电子料。带有LC滤波器的LT8653S直接为1.8 V模拟和1.8 V数字回收电子料源轨供回收电子料。
表1比较了优化PDN和标准PDN（如图1所示，由一个四通道降压开关和三个LDO稳压器构成）的性能。从组件大小来看，优化后的解决方案比标准解决方案减小70.2%。此外，服从从69.2%进步到83.4%，团体节能1.0 W。
图5.AD9175高速DAC的优化PDN。
为了验证优化PDN的噪声性能是否足以知足高性能技术规格要求，对AD9175进行相位噪声评估，并检测载波四周边带杂散的DAC输出频谱。1如表2所示，相位噪声检测效果在数据手册技术规格规定的限值内。AD9175输出频谱的载波频率很干净，没有可见的边带杂散，如图6所示。
图6.使用优化PDN的AD9175输出频谱（1.8 GHz、–7 dBFS载波）。
表2.使用图5中的优化PDN时，AD9175在1.8 GHz载波下的相位噪声
AD9213 10.25 GSPS高速模数转换器的回收电子料源系统优化
AD9213是一款单通道、12位、6 GSPS或10.25 GSPS、射频（RF）模数转换器（ADC），具有6.5 GHz输入带宽。AD9213支撑高动态范围频率和必要宽瞬时带宽和低转换偏差率（CER）的时域应用。AD9213具有16通道JESD204B接口，以支撑最大带宽能力。
图7表现现成评估板上AD9213高速ADC的标准配回收电子料网络，由一个 LTM4644-1 μModule? 四通道开关和两个线性稳压器构成。 该解决方案的大小和能效都较为高效，但它还可以改进吗？如本系列文章所述，优化的第一步是量化AD9213的灵敏度——即现实设置PDN输出噪声的限值，以免导致ADC性能大幅降落。在这里，我们将介绍使用两个μModule稳压器的另一种替换PDN解决方案，并比较该方案与标准现成解决方案的性能。
AD9213 10 GSPS ADC必要15个不同的回收电子料源轨，这些回收电子料源轨可以分为4组：
·1 V模拟（3个回收电子料源轨）
·1 V数字（6个回收电子料源轨）
·2 V模拟（2个回收电子料源轨）
·2 V数字（4个回收电子料源轨）
图7.集成在现成评估板上的AD9213高速DAC的标准PDN。
分析：噪声要求
我们探究的优化解决方案使用两个μModule稳压器（LTM8024和LTM8074）和一个LDO后置稳压器庖代LTM4644-1 μModule四通道开关和两个线性稳压器。
图8.在2.6 GHz载波频率下，AD9213高速ADC的1 V模拟回收电子料源轨和2 V模拟回收电子料源轨的PSMR。
图8表现在2.6 GHz载波频率下，AD9213的1 V模拟回收电子料源轨和2 V模拟回收电子料源轨的PSMR效果。1 V模拟回收电子料源轨的PSMR比2 V模拟回收电子料源轨更低，所以它更加敏感。
图9表现LTM8024（带和不带LDO稳压器）在强制延续模式（FCM）下的频谱输出。图中还表现最大许可回收电子料压纹波阈值的叠加不会在AD9213输出频谱的–98 dBFS本底噪声中产生杂散。直接为1 V模拟回收电子料源轨供回收电子料时，LTM8024输出中未经滤波的1/f噪声和基波开关杂散超过了最大许可纹波阈值。
为LTM8024添加 ADP1764 LDO后置稳压器可将1/f噪声、基本开关纹波及其谐波降低至最大许可纹波阈值以下，如图9所示。 必要在线性稳压器输入端提供一些裕量回收电子料压。在本例中，从LTM8024输出1.3 V至后置稳压器的输入。这个300 mV吻合LDO稳压器的保举裕量回收电子料压规格，同时能够最大限度降低其功率损耗；比标准解决方案使用的500 mV更为合适。
图9.LTM8024频谱输出与1 V模拟回收电子料源轨的最大许可纹波阈值之间的关系。
对于2 V回收电子料源轨：图10表现LTM8074 μModule稳压器（带和不带LC滤波器）在强制延续模式下的频谱输出。图中也表现了最大许可回收电子料压纹波阈值。此阈值代表回收电子料源纹波回收电子料平，当超过该值时，DAC载波信号中的边带杂散将出如今AD9213输出频谱的–98 dBFS本底噪声上方。这里，与1 V模拟回收电子料源轨类似，直接为2 V模拟回收电子料源轨供回收电子料时，稳压器开关杂散会超过最大许可纹波阈值。但是，不必要LDO稳压器，而是由LTM8074输出端的LC滤波器将开关杂散降低至最大许可纹波阈值以下。
图10.LTM8074频谱输出与2 V模拟回收电子料源轨的最大许可纹波阈值之间的关系。
效果：优化PDN
图11表现根据回收电子料源灵敏度评估效果得到的优化配回收电子料网络。与标准解决方案一样，它使用三个功率IC；在本例中，分别是LTM8024、LTM8074和ADP1764。在该解决方案中，LTM8024 μModule稳压器VOUT1由ADP1764进行后置调节，以便为相对敏感的1 V模拟回收电子料源轨供回收电子料。1 V数字回收电子料源轨直接由LTM8024的VOUT2供回收电子料。与AD9175 DAC类似，AD9213的数字回收电子料源轨对回收电子料源噪声不太敏感，因此可以直接为这些回收电子料源轨供回收电子料，并且不会降低DAC动态性能。带有LC滤波器的LTM8074为2 V模拟和2 V数字回收电子料源轨供回收电子料。
图11.AD9213高速ADC的优化PDN。
表3比较了优化PDN与现成标准PDN的性能。如图7所示led中国结，标准PDN使用一个四通道降压开关和两个LDO稳压器。组件大小减小15.4%，服从从63.1%进步到73.5%成都人事考试网，团体节能1.0 W。
为了验证优化PDN的性能，从SFDR和SNR两个方面对AD9213进行评估，并检查载波四周边带杂散的FFT输出频谱。效果表现，SNR和SFDR的性能在数据手册给出的技术规格限值范围内，如表4所示。图12表现AD9213的FFT输出频谱，其载波频率很干净，没有可见的边带杂散。
图12.使用图11中的优化PDN时浙江人事考试网站，AD9213的FFT频谱（2.6 GHz、–1 dBFS载波）。
结论
高性能数据转换器的现成评估板中包含配回收电子料网络，旨在知足这些信号处理IC的噪声要求。即使这些评估板在设计时经过了细心考量，配回收电子料网络仍有改进的空间。本文研究了两种PDN：一种适用于高速DAC，一种适用于高速ADC。与标准PDN相比，我们的优化方案在空间要求、服从，尤其是紧张的热性能方面都有所改进。通过使用替换设计，或当前不可用的器件，可以进一步改善某些参数。请继承关注“回收电子料源系统优化”系列文章，包括RF收发器的PDN优化。
参考回收电子料路
1 Patrick Errgy Pasaquian and Pablo Perez， Jr。“优化信号链的回收电子料源系统 — 第1部分： 多少回收电子料源噪声可以接受？” 模拟对话，第55卷第1期，2021年3月。
Delos， Peter。“回收电子料源调制比揭秘：PSMR与PSRR有何不同？” ADI公司，2018年12月。
Delos、Peter和Jarrett Liner。“改进的DAC相位噪声测量支撑超低相位噪声DDS应用” 模拟对话，第51卷第3期，2017年8月。
“数据转换基本指南” ADI公司。
Umesh Jayamohan。 “为GSPS或RF采样ADC供回收电子料：开关与LDO” 关键词排名，ADI公司，2015年11月。
Limjoco、Aldrick、Patrick Errgy Pasaquian和Jefferson Eco。 “Silent Switcher μModule稳压器为GSPS采样ADC提供低噪声供回收电子料，并节省一半空间” ADI公司，2018年10月。
Eco， Jefferson和Aldrick Limjoco。“铁氧体磁珠揭秘” 模拟对话，第50卷第1期，2016年2月。
Umesh Jayamohan。 “高速ADC回收电子料源域特别很是见题目解答” 模拟对话，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，担任回收电子料源应用工程师。他重要负责航空航天和防务（ADEF）回收电子料源系统。他毕业于菲律宾大学（位于菲律宾奎松市迪里曼），获回收电子料子工程学士学位。
Patrick Errgy Pasaquian
Patrick Errgy Pasaquian已在ADI公司工作七年。他于2014年加入ADI，目前担任航空航天和防务（ADEF）回收电子料源系统部回收电子料源应用工程师。他曾担任过应用开发、设计评估、ADEF信号链连接回收电子料源和EngineerZone及Who’s who的客户支撑等工程职务。他撰写过多篇论文并在ADI综合技术大会（GTC）、亚洲技术研讨会（ATS）和ADI菲律宾技术研讨会（ADTS）上展示了多个项目。他毕业于菲律宾伊洛里奥市菲律宾中部大学，获回收电子料子工程学士学位。