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	 > 模擬技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          
    
          

          

          


	
	
	

          
	
          
		
          
			
          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          
						
          
				作者：
				時(shí)間：2024-07-10
				來源：ADI
				
				
				
				
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          在采樣速率和可用帶寬方面，當(dāng)今的射頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器(RF ADC)已有長足的發(fā)展，其中還納入了大量數(shù)字處理功能，電源方面的復(fù)雜性也有提高。那么，RF ADC為什么有如此多不同的電源軌和電源域？
          本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202407/460824.htm
          為了解電源域和電源的增長情況，我們需要追溯ADC的歷史脈絡(luò)。早期ADC采樣速度很慢，大約在數(shù)十MHz內(nèi)，而數(shù)字內(nèi)容很少，幾乎不存在。電路的數(shù)字部分主要涉及如何將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字接收邏輯——專用集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。用于制造這些電路的工藝節(jié)點(diǎn)幾何尺寸較大，約在180 nm或更大。使用單電壓軌(1.8 V )和兩個(gè)不同的域（AVDD和DVDD，分別用于模擬域和數(shù)字域），便可獲得足夠好的性能。

          隨著硅處理技術(shù)的改進(jìn)，晶體管的幾何尺寸不斷減小，意味著每 mm2面積上可以容納更多的晶體管（即特征）。但是，人們?nèi)匀幌Ｍ?ADC 實(shí)現(xiàn)與其前一代器件相同（或更好）的性能。
          現(xiàn)在，ADC 的設(shè)計(jì)采取了多層面方法，其中：
          1. 采樣速度和模擬帶寬必須得到改善；
          2. 性能必須與前一代相同或更好；
          3. 納入更多片內(nèi)數(shù)字處理功能來輔助數(shù)字接收邏輯。
          下面將進(jìn)一步討論上述各方面特性以及它們對芯片設(shè)計(jì)構(gòu)成怎樣的挑戰(zhàn)。
          需要高速度
          在 CMOS 技術(shù)中，提高速度（帶寬）的最普遍方法是讓晶體管幾何尺寸變小。使用更精細(xì)的 CMOS 晶體管可降低寄生效應(yīng)，從而有助于提高晶體管的速度。晶體管速度越快，則帶寬越寬。數(shù)字電路的功耗與開關(guān)速度有直接關(guān)系，與電源電壓則是平方關(guān)系，如下式所示：
          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          幾何尺寸越小，電路設(shè)計(jì)人員能實(shí)現(xiàn)的電路速度就越快，而每MHz每個(gè)晶體管的功耗與上一代相同。以 AD9680 和 AD9695為例，二者分別采用65 nm和28 nm CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)而成。在1.25 GSPS和1.3GSPS時(shí)，AD9680和AD9695的功耗分別為3.7 W和1.6 W。這表明，架構(gòu)大致相同時(shí)，采用28 nm工藝制造的電路功耗比采用65 nm工藝制造的相同電路的功耗要低一半。因此，在消耗相同功率的情況下，28 nm工藝電路的運(yùn)行速度可以是65 nm工藝電路的一倍。AD9208很好地說明了這一點(diǎn)。
          裕量最重要
          對更寬采樣帶寬的需求促使業(yè)界采用更精細(xì)的幾何尺寸，不過對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能（如噪聲和線性度）的期望仍然存在。這對模擬設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)向更小幾何尺寸的一個(gè)不希望出現(xiàn)的結(jié)果是電源電壓降低，這使得開發(fā)模擬電路以工作在高采樣速率并保持相同的噪聲/線性度性能所需的裕量大大降低。為了克服這一限制，電路設(shè)計(jì)有不同的電壓軌以提供所需的噪聲和線性度性能。

          例如在 AD9208中，0.975 V電源為需要快速切換的電路供電。這包括比較器和其他相關(guān)電路，以及數(shù)字和驅(qū)動(dòng)器輸出。1.9 V電源為基準(zhǔn)電壓和其他偏置電路供電。2.5 V電源為輸入緩沖器供電，而要在高模擬頻率下工作，裕量必須很高。沒有必要為緩沖器提供2.5 V電源，它也可以工作在1.9 V。電壓軌的降低會導(dǎo)致線性度性能下降。

          數(shù)字電路不需要裕量，因?yàn)樽钪匾膮?shù)是速度。所以，數(shù)字電路通常以最低電源電壓運(yùn)行，以獲取CMOS開關(guān)速度和功耗的優(yōu)勢。這在新一代ADC中很明顯，最低電壓軌已降低至0.975 V。下面的表1列出了若干代的一些常見ADC。
          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          表1：產(chǎn)品比較
          隔離是關(guān)鍵
          隨著業(yè)界轉(zhuǎn)向深亞微米技術(shù)和高速開關(guān)電路，功能集成度也在提高。以 AD9467 和AD9208為例，AD9467采用180 nm BiCMOS工藝，而AD9208采用28 nm CMOS工藝。當(dāng)然，AD9467的噪聲密度約為-157 dBF S/Hz，而AD9208的噪聲密度約為-152 dBF S/Hz。但是，如果拿數(shù)據(jù)手冊做一個(gè)簡單的計(jì)算，取總功耗（每通道）并將其除以分辨率和采樣速率，就可以看到AD9467的功耗約為330μW/位/MSPS，而AD9208僅為40μW/位/MSPS。

          與AD9467相比，AD9208具有更高的采樣速率（3 GSPS對250 MSPS）和高得多的輸入帶寬（9 GHz對0.9 GHz），并且集成了更多數(shù)字特性。AD9208可以完成所有這些工作，每位每MSPS的功耗只有大約1/8。每位每MSPS的功耗不是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，其在本例中的作用是突出ADC設(shè)計(jì)中使用更小尺寸工藝的好處。當(dāng)超快電路在非常近的距離內(nèi)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)模塊之間總會存在耦合或震顫的風(fēng)險(xiǎn)。

          為了改善隔離，設(shè)計(jì)者必須考慮各種耦合機(jī)制，最明顯的機(jī)制是通過共享電源域。如果電源域盡可能遠(yuǎn)離電路，那么共享同一電壓軌（AD9208為0.975 V）的數(shù)字電路和模擬電路發(fā)生震顫的可能性將非常小。在硅片中，電源已被分開，接地也是如此。封裝設(shè)計(jì)繼續(xù)貫徹了這種隔離電源域處理。由此所得的同一封裝內(nèi)不同電源域和地的劃分，如表2所示，其以AD9208為例。
          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          表2：AD9208電源域和接地域
          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？

          圖1. AD9208引腳配置（頂視圖）
          這可能會讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員驚慌失措。乍一看，數(shù)據(jù)手冊給人的印象是這些域需要分開處理以優(yōu)化系統(tǒng)性能。情況并不像看起來那么可怕，數(shù)據(jù)手冊的目的僅僅是喚起人們對各種敏感域的關(guān)注，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以關(guān)注PDN（電源輸送網(wǎng)絡(luò)）設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐?。共享相同供電軌的大多?shù)電源域和接地域可以合并，因此PDN可以簡化。這導(dǎo)致BOM（物料清單）和布局得以簡化。根據(jù)設(shè)計(jì)約束，圖2和圖3顯示了AD9208的兩種PDN設(shè)計(jì)方法。

          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？

          圖2. AD9208引腳配置（頂視圖）

          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          圖3. AD9208 PDN，DC-DC轉(zhuǎn)換器為所有域供電

          RF ADC為什么有如此多電源軌和電源域？
          圖4. AD9208下方的AD9208-3000 EBZ PCB橫截面
          文章來源：亞德諾半導(dǎo)體
          
				
            
                
			
							
          
                
			              
              
            
          
		
          
		
          
		
          
		
          
		
          
			
            
				
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