Stromversorgung für schnelle A/D-Wandler entwickeln

Ein A/D-Wandler (ADC) mit Abtastraten im Gigasample-Bereich und hoher Bandbreite kann mehrere Versorgungsbereiche haben (AVDD, DVDD und so weiter). Im Zuge der verkleinerten Halbleitergeometrien ist nicht nur die Zahl der Versorgungsbereiche gestiegen, sondern auch die Zahl der unterschiedlichen Spannungen zur Versorgung der ADCs. Zum Beispiel hat der in einem 180-nm-CMOS-Prozess hergestellte AD9250, ein zweifacher 14-Bit-A/D-Wandler mit 170 bezeihungsweise 250 MSample/s, drei Versorgungsbereiche (AVDD, DVDD und DRVDD) mit der gleichen Spannung von 1,8 V.

Hingegen hat der in einem 65nm-CMOS-Prozess gefertigte AD9680, ebenfalls ein zweifacher 14-Bit-A/D-Wandler, jedoch mit 1,25 oder 1 GSample/s beziehungsweise 820 oder 500 MSample/s, sieben verschiedene Versorgungsbereiche (AVDD1, AVDD1_SR, AVDD2, AVDD3, DVDD, DRVDD und SPIVDD) sowie drei verschiedene Spannungen: 1,25, 2,5 und 3,3 V.

Diese Versorgungsbereiche und die verschiedenen Spannungen sind bei hohen Abtastraten für den Betrieb der Wandler erforderlich, um die richtige Isolation zwischen Schaltkreisbereichen (Sample, Takt, digital, Serializer) sowie die erforderliche Leistungsfähigkeit sicherzustellen. Aus diesem Grund entwickeln Hersteller von A/D-Wandlern Evaluierungsboards und empfehlen ein sorgfältiges Stromversorgungsdesign.

Bild 1: Stromversorgungsnetz für das Evaluierungsboard des AD9680 mit den DC/DC-Wandlern ADP2384 und ADP2164. Analog Devices

Bild 1 zeigt das beim Evaluierungsboard AD9680 verwendete Stromversorgungsnetz. Die DC/DC-Wandler ADP2384 und ADP2164 bringen die Versorgungsspannungen von 12 V und 3,3 V auf handhabbare Pegel, damit die LDOs regeln können, ohne aufgrund hoher Temperatur abzuschalten.

Leistungsfähig aber teuer

Das Stromversorgungsnetz in Bild 1 kann zwar eine hohe Leistungsfähigkeit bieten, verursacht jedoch hohe Kosten, da es sieben LDOs, einen für jeden Bereich, enthält. Systementwickler stehen bei der Implementierung von Systemen mit mehreren ADCs einigen Herausforderungen gegenüber. So enthält zum Beispiel ein Radarsystem hunderte A/D-Wandler des Typs AD9680, die alle synchron arbeiten. Pro Spannungsbereich einen LDO-Regler einzusetzen, würde erhebliche Kosten verursachen.

Ein kosteneffizienteres Konzept besteht darin, Spannungsbereiche, die die gleichen Pegel (zum Beispiel alle Analogbereiche mit 1,25 V) aufweisen und diese vom selben LDO aus erhalten, zu kombinieren. So lassen sich die Zahl der Bauteile sowie die Kosten reduzieren (Bild 2).

Vereinfachtes Stromversorgungsnetz

Eine weitere Vereinfachung des Stromversorgungsnetzes lässt sich erreichen, indem man den LDO, der die 1,25-V-Bereiche versorgt, entfernt. Dies wäre die effizienteste und preiswerteste Lösung (Bild 3). Die Herausforderung dabei ist jedoch, ohne Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des ADC einen stabilen Betrieb des DC/DC-Wandlers sicherzustellen. Bild 3 zeigt das Stromversorgungsnetz, bei dem der ADP2164 alle Spannungsbereiche mit 1,25 V (AVDD1, AVDD1_SR, DVDD und DRVDD) des AD9680 treibt.

Bild 2: Vereinfachtes Stromversorgungsnetz für das Evaluierungsboard AD9680. Die Schaltung kommt mit nur einer Versorgungsspannung von 3,3 V aus. Analog Devices

Die drei oben erläuterten Stromversorgungsnetze wurden neben einem vierten Netzwerk einem Test unterzogen. Das Evaluierungsboard AD9680 wurde über Labornetzteile versorgt. Tabelle 1 fasst die verschiedenen Stromversorgungsnetze, die auf dem Evaluierungsboard AD9680 implementiert sind, zusammen. Da SPIVDD 1,8 bis 3,3 V unterstützen könnte und als nicht-kritischer Knoten bewertet wurde, erfolgte die Versorgung über einen LDO-Ausgang mit 1,8 V. In einer normalen System-Implementierung ist SPIVDD an den 2,5- oder 3,3-V-Bereich anschließbar. Dennoch sollte man die SPIVDD-Verbindung in Systemen mit vielen ADCs und DACs, die sich einen SPI-Bus teilen, überwachen.

Bild 3: Bei diesem einfachen Stromversorgungsnetz dient ein DC/DC-Wandler zur Versorgung des AD9680. Analog Devices

Tabelle 1: Die verschiedenen Stromversorgungsnetze (PDNs) im Überblick. Analog Devices

Tabelle 2 und Tabelle 3 zeigen das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) beziehungsweise den störungsfreien Dynamikbereich (SFDR) des AD9680 bei verschiedenen Stromversorgungsnetzen. Die Empfehlungen im Datenblatt des AD9680 für Front-End-Netzwerk- und Register-Einstellungen für verschiedene Nyquist-Zonen fanden Beachtung.

Tabelle 2: Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) des AD9680 bei verschiedenen Stromversorgungsnetzen. Analog Devices

Das Stromversorgungsnetz, das zur Versorgung der 1,25-V-Bereiche (PDN #3) des AD9680 nur den DC/DC-Wandler verwendet, zeigt eine gute Leistungsfähigkeit über die Eingangsfrequenzen. Dies beweist, dass es möglich ist, Spannungsbereiche zu kombinieren und sie effizient und ohne große Einbußen der Leistungsfähigkeit des ADC zu versorgen. Das vom Labornetzteil versorgte Stromversorgungsnetz weist die besten Rauscheigenschaften auf, da hier die Stromquelle mit dem geringsten Rauschen Verwendung findet.

FFT-Diagramme

Bild 4 und Bild 5 zeigen die Einzelton-FFTs (Single Tone FFTs) bei Eingangsfrequenzen von 170 beziehungsweise 785 MHz. Die FFT zeigt keine spektrale Absenkung in Folge der Tatsache, dass zur Versorgung der 1,25-V-Bereiche ein DC/DC-Wandler zum Einsatz kommt.

Zusätzlich zum Rauschverhalten sollte eine Überprüfung der DC/DC-Wandler-Implementierung auch im Hinblick auf Störungen stattfinden, die Schaltelemente und Magnetmaterialien verursachen. Sorgfältige Layout-Techniken zum Reduzieren von Masseschleifen und Ground Bounce erweisen sich als vorteilhaft.

Bei der Ausgangsfilterstufe in Bild 2 und Bild 3 handelt es sich um einen zweistufigen Filter, der zur Reduzierung des Schaltrauschens beiträgt und damit hilft, das Rauschen des ADC zu verringern. Außerdem trägt der zweistufige Filter auch zur Reduzierung der Schaltstörungen bei.

Schaltungen mit DC/DC-Wandlern simulieren

Der zweistufige Filter am Ausgang des DC/DC-Wandlers lässt sich mit einem Tool wie zum Beispiel ADIsimPE simulieren. Mit ADIsimPE können Systementwickler Stromversorgungsnetze entwickeln, optimieren und analysieren. Bild 6 zeigt die von ADIsimPE erzeugte Blockschaltung zur Simulation des Ausgangsrauschens und der Stabilitätseigenschaften des Stromversorgungsnetzes.

Bild 7 zeigt die Welligkeit am Ausgang der ersten Stufe und den gefilterten Ausgang nach der zweiten Stufe des Schaltkreises, simuliert mit ADIsimPE. Die Welligkeit beträgt etwa 3 mV_ss.

Stückliste

Tabelle 4 zeigt die Stückliste für das vereinfachte Stromversorgungsnetz auf dem Evaluierungsboard AD9680 aus Bild 2. Beim Einsatz des Netzwerks aus Bild 3 können Systementwickler im Hinblick auf die Bauteilekosten Einsparungen von 40 bis 45 % erzielen.

Bauteileauswahl und Layout

Die Leistungsfähigkeit eines ADC bei der Versorgung aus unterschiedlichen Stromversorgungsnetzen hängt nicht nur von einem sorgfältigen Design, sondern auch von der Wahl der Bauteile und dem Leiterplattenlayout ab. Die hohen Ströme, die in einem Schaltnetzteil entstehen, führen häufig zu starken Magnetfeldern. Diese können in andere magnetische Bauteile auf der Leiterplatte, zum Beispiel Induktivitäten von Anpassungsnetzwerken oder Transformatoren zum Koppeln von Analog- und Taktsignalen, einkoppeln. Entsprechende Layout-Techniken müssen die Einkopplung dieser Magnetfelder in relevante Signale verhindern.

Tabelle 3: Störungsfreier Dynamikbereich (SFDR) des AD9680 bei verschiedenen Stromversorgungsnetzen. Analog Devices

Bild 4 : Einzelton-FFT bei einer Eingangsfrequenz von 170 MHz mit PDN #3. Analog Devices

Bild 5: Einzelton-FFT bei einer Eingangsfrequenz von 785 MHz mit PDN #3. Analog Devices

Tabelle 4: Stückliste für das Stromversorgungsnetz aus Bild 2. Analog Devices

Der Induktor beziehungsweise die Spule und der Kondensator, die die Ausgangsfilterstufe bilden, liefern den größten Teil der Leistung und sind daher sorgfältig auszuwählen. Im hier erläuterten Beispiel kommen eine Mischung aus geschirmten und ungeschirmten Induktoren zum Einsatz. Die erste Filterstufe enthält einen abgeschirmten Induktor, während man in der zweiten Stufe einen ungeschirmten Induktor verwenden könnte. Allerdings ist es zu empfehlen, in beiden Stufen geschirmte Induktoren einzusetzen, um mögliche Störstrahlung zu minimieren. Die Induktoren wurden so gewählt, dass sie hinsichtlich Sättigungsstrom (I_SAT) und DC-Widerstand (DCR) genügend Reserven aufweisen, um sicherzustellen, dass sie in die Sättigung gelangen oder einen zu großen Spannungsabfall über sich selbst erzeugen.

Kondensatoren der Typen X5R oder X7R sind als ausgangsseitige Filterkondensatoren zu empfehlen. Die Kondensatoren sollten einen niedrigen ESR (Equivalent Series Resistance) aufweisen, denn mit einem niedrigen ESR lässt sich die Schaltwelligkeit am Ausgang reduzieren. Der gesamte ESR und die gesamte ESL (Equivalent Series Inductance) lässt sich durch parallele Kondensatoren minimieren. Wie aus Bild 3 und Tabelle 4 ersichtlich, nutzt die erste Filterstufe zwei Kondensatoren mit 22 µF, während die zweite Filterstufe vier Kondensatoren mit 22 µF enthält.

Auch die Kondensatorwerte sind wichtig

Der Spannungswert der Kondensatoren spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Auswahl, weil das Dielektrikum eines Keramikkondensators mit steigendem DC-Bias abnimmt. Dies bedeutet, dass ein für 6,3 V spezifizierter Kondensator mit 22 µF bei einem DC-Bias von 4 V ein Degrading um bis zu 50 % aufweisen könnte. Dieses Beispiel nutzt den für 6,3 V spezifizierten Kondensator für die 1,25-V-Versorgungen. Eine Erweiterung des Ausgangs um zusätzliche Kondensatoren erhöht die Bauteilekosten sowie den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Allerdings verbessert dies das Rauschverhalten sowie die Welligkeit und somit die Leistungsfähigkeit des ADC.

Wie aus Bild 3 ersichtlich dienen Ferritperlen zur Isolation der verschiedenen Spannungsbereiche. Die Auswahl der Ferritperlen ist ebenfalls wichtig, da ein höherer als der gewünschte DC-Widerstand (DCR) der Ferritperle eine Spannung erzeugt, die niedriger als die optimale Spannung ist. Diese niedrige Spannung führt zu einer nicht optimalen Leistungsfähigkeit des A/D-Wandlers (SNR und SFDR). Ausreichende Beachtung sollten die Impedanzeigenschaften, die maximale DC-Strombelastbarkeit und der DCR der Ferritperle erhalten.

Das Leiterplattenlayout

Für eine möglichst geringe Interaktionen zwischen Schaltreglern und ADC sollten sich DC/DC-Wandler und Schaltelemente möglichst weit entfernt von magnetischen Komponenten befinden, die mit dem A/D-Wandler interagieren. Beim Layout ist außerdem auf eine Platzierung des zweistufigen Filters möglichst nahe am DC/DC-Wandler zu achten, um Schleifenströme zu minimieren.

(hb)