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在采样速率和可用带宽方面,当今的射频模数转换器()已有长足的发展,其中还纳入了大量数字处理功能,电源方面的复杂性也有提高。那么,为什么有如此多不同的电源轨和电源域? 为了解电源域和电源的增长情况,我们需要追溯ADC的历史脉络。早期ADC采样速度很慢,大约在数十MHz内,而数字内容很少,几乎不存在。电路的数字部分主要涉及如何将数据传输到数字接收逻辑——专用集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA)。用于制造这些电路的工艺节点几何尺寸较大,约在180 nm或更大。使用单电压轨(1.8 V )和两个不同的域(AVDD和DVDD,分别用于模拟域和数字域),便可获得足够好的性能。 随着硅处理技术的改进,晶体管的几何尺寸不断减小,意味着每 mm2面积上可以容纳更多的晶体管(即特征)。但是,人们仍然希望 ADC 实现与其前一代器件相同(或更好)的性能。 在 CMOS 技术中,提高速度(带宽)的最普遍方法是让晶体管几何尺寸变小。使用更精细的 CMOS 晶体管可降低寄生效应,从而有助于提高晶体管的速度。晶体管速度越快,则带宽越宽。数字电路的功耗与开关速度有直接关系,与电源电压则是平方关系,如下式所示: 几何尺寸越小,电路设计人员能实现的电路速度就越快,而每MHz每个晶体管的功耗与上一代相同。以 AD9680和 AD9695为例,二者分别采用65 nm和28 nm CMOS技术设计而成。在1.25 GSPS和1.3GSPS时,AD9680和AD9695的功耗分别为3.7 W和1.6 W。这表明,架构大致相同时,采用28 nm工艺制造的电路功耗比采用65 nm工艺制造的相同电路的功耗要低一半。因此,在消耗相同功率的情况下,28 nm工艺电路的运行速度可以是65 nm工艺电路的一倍。AD9208很好地说明了这一点。 对更宽采样带宽的需求促使业界采用更精细的几何尺寸,不过对数据转换器性能(如噪声和线性度)的期望仍然存在。这对模拟设计提出了独特的挑战。转向更小几何尺寸的一个不希望出现的结果是电源电压降低,这使得开发模拟电路以工作在高采样速率并保持相同的噪声/线性度性能所需的裕量大大降低。为了克服这一限制,电路设计有不同的电压轨以提供所需的噪声和线性度性能。例如在 AD9208中,0.975 V电源为需要快速切换的电路供电。这包括比较器和其他相关电路,以及数字和驱动器输出。1.9 V电源为基准电压和其他偏置电路供电。2.5 V电源为输入缓冲器供电,而要在高模拟频率下工作,裕量必须很高。没有必要为缓冲器提供2.5 V电源,它也可以工作在1.9 V。电压轨的降低会导致线性度性能下降。数字电路不需要裕量,因为最重要的参数是速度。所以,数字电路通常以最低电源电压运行,以获取CMOS开关速度和功耗的优势。这在新一代ADC中很明显,最低电压轨已降低至0.975 V。下面的表1列出了若干代的一些常见ADC。 随着业界转向深亚微米技术和高速开关电路,功能集成度也在提高。以 AD9467 和AD9208为例,AD9467采用180 nm BiCMOS工艺,而AD9208采用28 nm CMOS工艺。当然,AD9467的噪声密度约为-157 dBF S/Hz,而AD9208的噪声密度约为-152 dBF S/Hz。但是,如果拿数据手册做一个简单的计算,取总功耗(每通道)并将其除以分辨率和采样速率,就可以看到AD9467的功耗约为330μW/位/MSPS,而AD9208仅为40μW/位/MSPS。与AD9467相比,AD9208具有更高的采样速率(3 GSPS对250 MSPS)和高得多的输入带宽(9 GHz对0.9 GHz),并且集成了更多数字特性。AD9208可以完成所有这些工作,每位每MSPS的功耗只有大约1/8。每位每MSPS的功耗不是工业标准指标,其在本例中的作用是突出ADC设计中使用更小尺寸工艺的好处。当超快电路在非常近的距离内运行时,各个模块之间总会存在耦合或震颤的风险。 为了改善隔离,设计者必须考虑各种耦合机制,最明显的机制是通过共享电源域。如果电源域尽可能远离电路,那么共享同一电压轨(AD9208为0.975 V)的数字电路和模拟电路发生震颤的可能性将非常小。在硅片中,电源已被分开,接地也是如此。封装设计继续贯彻了这种隔离电源域处理。由此所得的同一封装内不同电源域和地的划分,如表2所示,其以AD9208为例。 这可能会让系统设计人员惊慌失措。乍一看,数据手册给人的印象是这些域需要分开处理以优化系统性能。情况并不像看起来那么可怕,数据手册的目的仅仅是唤起人们对各种敏感域的关注,让系统设计人员可以关注PDN(电源输送网络)设计,对其进行适当的划分。共享相同供电轨的大多数电源域和接地域可以合并,因此PDN可以简化。这导致BOM(物料清单)和布局得以简化。根据设计约束,图2和图3显示了AD9208的两种PDN设计方法。 江南官方体育app 上一篇:时钟芯片的低功耗设计研究 下一篇:逻辑门电路的识别分类及测量 |