Optimierung von Stromversorgungen für schnelle Datenwandler

Der AD9175 ist ein Hochleistungs-Zweifach-16-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC = digital-to-analog converter) der Abtastraten von bis zu 12,6 GS/s (Giga-Samples per second) verarbeitet. Der Baustein besitzt eine JESD204B-Schnittstelle mit 8 Lanes und 15,4 Gbit/s Datenrate, einen Taktmultiplizierer auf dem Chip und digitale Signalverarbeitungsblöcke, die auf drahtlose Ein- und Mehrband-Applikationen abzielen, die Signale direkt auf die Funkfrequenz (HF) umsetzten.

Bild 1 zeigt das auf einem handelsüblichen Evaluations-Board implementierte Standard-Stromverteilernetz für den DAC AD9175. Das PDN umfasst einen Vierfach-Schaltregler und drei nachgeschaltete Low-Dropout-Regler (LDO). Das Ziel ist es, festzustellen, ob dieses PDN verbessert und vereinfacht werden kann, ohne dass das Ausgangsrauschen eine signifikante Verschlechterung der Leistung des DA-Wandlers hervorruft. Der AD9175 benötigt acht Versorgungspegel:

• 1 V analog (zwei Pegel)
• 1 V digital (drei Pegel)
• 1,8 V analog (zwei Pegel)
• 1,8 V digital (ein Pegel)

Vor der Optimierung müssen Entwickler die Empfindlichkeit gegenüber dieser Stromversorgungspegel verstehen. Dabei fokussieren sie sich auf die analogen Pegel, da diese empfindlicher als die digitalen auf Rauschen reagieren. Hier ist zu beachten, dass die analogen 1-V-Pegel im 1/f-Frequenzbereich empfindlicher sind, während die analogen 1,8-V-Pegel empfindlicher im Bereich der Betriebsfrequenzen des Schaltwandlers (100 kHz bis etwa 1 MHz) sind.

Eine Methode der Optimierung ist es, einen rauscharmen Schaltregler mit einem LC-Filter einzusetzen Eine SSFM reduziert zwar die Rauschamplitude der Schaltfrequenz, führt aber in der 1/f-Region wegen der triangulären Modulationsfrequenz zu Rauschspitzen. Dieses zusätzliche Rauschen würde den Schwellwert für die maximal erlaubte Welligkeit übersteigen, da in diesem Bereich nur sehr wenig Spielraum ist. Deshalb ist es nicht empfehlenswert die SSFM in diesem Fall einzusetzen. Der Schwellwert für die maximal akzeptierbare Spannungswelligkeit repräsentiert den Pegel der Welligkeit, der, wenn er überschritten wird, Seitenband-Spitzen im DAC-Trägersignal oberhalb des 1-µV-Grundrauschens im DAC-Ausgangsspektrum verursacht.

Aus diesen Ergebnissen kann man ableiten, dass das 1/f-Rauschen des Schaltreglers den maximal erlaubten Welligkeitsschwellwert des analogen 1-V-Pegels nicht übersteigt. Darüber hinaus genügt ein LC-Filter, um die Grundwelle und Harmonische des LT8650S unter den maximal akzeptablen Welligkeitsschwellwert zu drücken.

Bild 2 zeigt das leitungsgeführte Ausgangsspektrum des LT8653S (mit und ohne LC-Filter). Die maximal erlaubte Spannungswelligkeit für den 1,8-V-Pegel, die keine Spitzen (spurs) im 1-µV-p-p-Grundrauschen im Ausgangsspektrum des AD9175 erzeugt, ist ebenfalls dargestellt. Das 1/f-Rauschen des LT8653S übersteigt den maximal erlaubten Welligkeitsschwellwert nicht, und ein LC-Filter ist ausreichend, um die Grundwelle und Harmonische des LT8653S unter den maximal akzeptablen Welligkeitsschwellwert zu drücken.

Bild 3 zeigt ein optimiertes Stromverteilernetz für den AD9175. Ziel ist es, den Wirkungsgrad zu steigern und Platzbedarf sowie Leistungsverluste gegenüber der PDN in Bild 1 zu reduzieren, wobei die hervorragende Dynamik des AD9175 erhalten bleibt. Die Ziele bezüglich des Rauschverhaltens basieren auf dem maximal erlaubten Welligkeitsschwellwert in Bildern 2.

Das optimierte Stromverteilernetz besteht aus den Silent-Switcher-Reglern LT8650S und LT8653S gefolgt von LC-Filtern auf den analogen Versorgungsleitungen. In diesem PDN wird der analoge 1-V-Pegel von VOUT1 des LT8650S, gefolgt von einem LC-Filter versorgt; der digitale 1-V-Pegel wird direkt von VOUT2 des gleichen LT8650S versorgt, es ist kein Filter nötig. Beim AD9175 sind die digitalen Pegel weniger empfindlich gegenüber dem Rauschen der Stromversorgung, sodass die direkte Versorgung dieser Pegel möglich ist, ohne die Dynamik des DAC zu verringern. Der LT8653S mit nachgeschaltetem RC-Filter versorgt die analogen und digitalen 1,8-V-Pegel direkt.

Um zu verifizieren, ob das Rauschverhalten des optimierten PDN ausreicht, um die Hochleistungs-Spezifikationen zu erfüllen, wurde der AD9175 bezüglich des Phasenrauschens evaluiert und das DAC-Ausgangsspektrum der Seitenband-Spitzen am Träger untersucht. Die Ergebnisse des Phasenrauschens zwischen dem Standard- und dem optimierten PDN sind vergleichbar. Das Ausgangsspektrum des AD9175 zeigt eine deutliche Trägerfrequenz ohne sichtbare Seitenband-Spitzen.

Der AD9213 ist ein Einkanal-12-Bit-HF-Analog/Digital-Wandler mit 6 oder 10,25 GS/s Abtastrate und einer Eingangsbandbreite von 6,5 GHz. Der AD9213 unterstützt hochdynamische Anwendungen im Frequenz- und Zeitbereich, die hohe Bandbreiten und kleine Wandlungsfehler (CER = conversation error rates) erfordern. Der AD9213 hat ein 16-Lane-JESD204B-Interface, um die maximale Bandbreite ausnutzen zu können.

Bild 4 zeigt ein Standard-Stromversorgungsnetz für den schnellen ADC AD9213, das aus einem Vierfach-µModule-Switcher LTM4644-1 und zwei Linearreglern besteht. Diese Lösung ist bereits Platz- und Energieeffizient: aber kann sie noch verbessert werden? Hierzu wird eine alternative PDN-Lösung mit zwei µModule-Reglern betrachtet, und ihre Leistung mit der handelsüblichen Lösung verglichen. Der 10-GS/s-ADC AD9213 benötigt 15 unterschiedliche Versorgungspegel, aufgeteilt in vier Gruppen:

• 1 V analog (drei Pegel)
• 1 V digital (sechs Pegel)
• 2 V analog (zwei Pegel)
• 2 V digital (vier Pegel)

Die optimierte Lösung ersetzt einen Vierfach-µModule-Switcher LTM4644-1 und zwei Linearregler durch zwei µModule-Regler, LTM8024 und LTM8074, und einen einzigen nachgeschalteten LDO-Regler.

Bild 5 illustriert die Spektralleistung des LTM8024 (mit und ohne LDO-Regler) im erzwungen-kontinuierlichem Modus (FCM = forced continuous mode). Es ist auch der Schwellwert der maximal erlaubten Spannungswelligkeit dargestellt, der keine Spitzen im – 98-dBFS-Grundrauschen im Ausgangsspektrum des AD9213 produziert. Die ungefilterte Spitze im 1/f-Rauschen und bei der Grundschaltfrequenz (fundamental switching) des LTM8024-Ausgangs übersteigt den maximale erlaubten Welligkeitsschwellwert, wenn dieser den analogen 1-V-Spannungspegel direkt versorgt.

Das Hinzufügen des nachgeschalteten LDO-Reglers ADP1764 zum LTM8024 reduziert das 1/f-Rauschen, die Welligkeit der Grundschaltfrequenz und seine Harmonischen bis auf den maximal akzeptierbaren Schwellwert der Welligkeit und ist in Bild 5 illustriert. Eine etwas höhere Spannung ist am Eingang des Linearreglers nötig. In diesem Fall wird vom LTM8024 für den Eingang des nachgeschalteten Reglers ein 1,3-V-Ausgang generiert. Diese 300 mV erfüllen die Spezifikationen für die empfohlene Eingangsspannung für den LDO-Regler und minimieren seine Verlustleistung. Dies ist geringfügig besser als bei den 500 mV in der Standard-Lösung.

Die 2-V-Pegel generieren: Der Schwellwert repräsentiert den Welligkeitspegel der Stromversorgung, bei dem, wenn er überschritten wird, im ADC-Trägersignal über dem Grundrauschen von – 98 dBFS im Ausgangsspektrum des AD9213 Seitenband-Spitzen auftreten. Wie der analoge 1-V-Pegel übersteigen auch die Schaltspitzen des Reglers den maximal akzeptierbaren Welligkeitsschwellwert, wenn der analoge 2-V-Pegel direkt versorgt wird. Ein LDO-Regler ist nicht erforderlich, da ein LC-Filter am Ausgang des LTM8074 die Schaltspitzen unter den Schwellwert der maximal erlaubten Welligkeit drückt.

Bild 7 zeigt das optimierte Stromverteilernetz, das aus den Evaluierungsergebnissen der Stromversorgungsempfindlichkeit resultiert. Wie die Standard-Lösung nutzt sie drei Leistungs-ICs: LTM8024, LTM8074 und ADP1764. In dieser Lösung ist VOUT1 des µModule-Reglers LTM8024 vom ADP1764 nachgeregelt, um den relativ empfindlichen analogen 1-V-Pegel zu versorgen. Der digitale 1-V-Pegel wird direkt von VOUT1 versorgt. Sehr ähnlich wie beim DAC AD9175 sind die digitalen Pegel des AD9213 weniger empfindlich auf das Stromversorgungsrauschen, so dass das direkte versorgen dieser Pegel möglich ist, ohne die Dynamik des ADC zu beeinträchtigen. Der LTM8074 mit LC-Filter versorgt die analogen und digitalen 2-V-Pegel.

Um die Leistung des optimierten PDN zu verifizieren, wurde der AD9213 bezüglich des verzerrungsfreien Dynamikbereichs (SFDR = spurios free dynamic range) und Signal/Rauschabstands (SNR = signal-to-noise ratio) und des FFT-Ausgangsspektrums der Seitenband-Spitzen um den Träger evaluiert. Das SNR und der SFDR zeigen Ergebnisse, die innerhalb der Spezifikationen im Datenblatt liegen. (prm)