Rzadko zadawane pytania: po co tyle napięć zasilania dla ADC?

Pytanie: Czemu przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) wyposażone są w tyle linii i domen zasilania?

Odpowiedź: Dzisiejsze superszybkie przetworniki ADC, dedykowane do pracy z sygnałami radiowymi (RF ADC), osiągają bardzo wysokie częstotliwości próbkowania, co pozwala im na digitalizację sygnałów o bardzo szerokim pasmie. Integruje się w nich także wiele dodatkowych modułów cyfrowych do obróbki tych sygnałów. Wszystko to pociąga za sobą także większą złożoność sekcji zasilania tych układów. Z czego to wynika? Co jest faktycznym powodem tego, że w dzisiejszych układach ADC jest tyle linii zasilania?

Aby zrozumieć dlaczego domeny zasilania są obecnie tak liczne, trzeba trochę cofnąć się w czasie i przyjrzeć historii rozwoju układów ADC. Zacznijmy od czasów, gdy układy te były prostsze – częstotliwości próbkowania sięgały dziesiątek megaherców, a ilość transmitowanych cyfrowych danych była bliska zeru. Sekcja cyfrowa takiego przetwornika była bardzo minimalistyczna – jej zadaniem było tylko wysyłanie bitów poszczególnych próbek do odbiornika – najczęściej dedykowanego układu ASIC lub układu programowalnego FPGA. Przetworniki były produkowane w technologii o rozmiarze około 180 nm lub więcej. Cały układ zasilany był pojedynczym napięciem – na przykład 1,8 V – a do zasilania wystarczyły dwie domeny – AVDD (analogowa) oraz DVDD (cyfrowa).

Wraz z postępem technologii półprzewodnikowej, wymiary tranzystorów zmniejszyły się, co oznacza, że do układów dało się upakować ich więcej na tej samej powierzchni krzemu. Przełożyło się to na zwiększenie ilości funkcji dostępnych w tego rodzaju układach. Parametry pracy, jakich wymagał rynek były nadal podobne, ale zaczynały się zwiększać. Z tego punktu rozwój układów przebiegał w wielu kierunkach:

* Częstotliwość próbkowania i pasmo analogowe układu musi być większe niż poprzedniej generacji;
* Parametry układu (szum, precyzja etc.) musi być nie gorsza niż układów starszych generacji;
* W układach zintegrowane musi być więcej funkcji przetwarzania danych, mających wesprzeć układy odbierające dane.

Przyjrzyjmy się poszczególnym elementom i związanym z nimi wyzwaniom, jakie pojawiły się przed kolejnymi generacjami układów.

Potrzeba prędkości

Generalnie w układach CMOS, aby działać szybciej trzeba zredukować wymiar charakterystyczny struktur (tranzystorów w układzie). Redukcja wymiaru tranzystorów CMOS powoduje zmniejszenie m.in. pojemności pasożytniczych, co z kolei przekłada się na możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania tranzystorów. Szybsze tranzystory oznaczają szersze pasmo układu.

Zużycie mocy przez układy CMOS ma liniowy związek z prędkością przełączania, ale kwadratowy z napięciem zasilania. Opisane jest to poniższym równaniem:

$$P = C_{LD} \times V^2 \times f_{SW}$$

gdzie:
P to ilość rozpraszanej mocy,
CLD to pojemność złącza,
V to napięcie zasilania,
fsw to częstotliwość przełączania.

Dzięki redukcji wymiarów układów możliwe było projektowanie szybszych układów o podobnym poborze mocy w przeliczeniu na tranzystor i na megaherc jak układy poprzednich generacji, na przykład układy AD9680 oraz AD9695. Wyprodukowano je, wykorzystując odpowiednio, proces 65 nm i 28 nm w technologii CMOS. Pierwszy z nich działa z częstotliwością próbkowania do 1,25 GSPS, a drugi 1,3 GSPS. Zużycie mocy wynosi, odpowiednio, 3,7 W oraz 1,6 W. Analogiczny układ o podobnej częstotliwości próbkowania, zużywa o połowę mniej mocy dzięki zredukowaniu wymiaru tranzystorów o połowę (co przekłada się bezpośrednio, jak pisaliśmy wyżej, na redukcję pojemności złącz tranzystorów). Oznacza to także, że przy zachowaniu tego samego poboru mocy, układ w mniejszej geometrii pracować może dwa razy szybciej. Doskonale ilustruje to przetwornik AD9208.

Zapas dynamiki jest kluczowy

Zwiększanie prędkości przetworników wymusiło zmniejszenie rozmiaru tranzystorów, z jakich są one zbudowane. Jednym z efektów ubocznych redukcji geometrii układu jest zmniejszenie napięcia zasilania.

Jednocześnie chcemy, aby parametry układu, takie jak szum i liniowość pozostały takie jak były dla wolniejszych układów. Redukcja napięcia zasilania ma bezpośredni wpływ na zmniejszenie dynamiki sygnału. To stwarza poważny problem dla sekcji analogowej przetwornika, której przy zmniejszonej dynamice trudniej zachować parametry związane z szumem czy liniowością.

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie dwóch napięć zasilania dla sekcji analogowej i cyfrowej, dzięki czemu część wymagająca większej dynamiki może być zasilana wyższym napięciem niż sekcja cyfrowa, która musi działać bardzo szybko.

Układ AD9208 potrzebuje napięcia zasilania wynoszącego 0,975 V dla sekcji cyfrowej, gdzie tranzystory przełączać muszą się z dużą częstotliwością. Z tego napięcia zasilane są między innymi komparatory w układzie i inne związane z nimi układy. Tym napięciem zasilane są także drivery wyjść cyfrowych przetwornika. Z kolei drugie napięcie zasilania – 1,9 V – dedykowane jest do zasilania stabilizatora napięcia odniesienia i układów związanych z polaryzacją wejścia przetwornika. Trzecie napięcie zasilania, równe 2,5 V, wykorzystywane jest przez analogowy bufor wejściowy, który do działania z odpowiednio wysokimi parametrami potrzebuje większego zapasu dynamiki. Sekcja analogowa AD9208 nie musi być koniecznie zasilana z napięcia 2,5 V – możemy ją zasilić napięciem 1,9 V, jednakże pogorszy to liniowość przetwornika.

Układy cyfrowe nie potrzebują żadnego zapasu dynamiki, dlatego też sekcja ta może być zasilana możliwie najmniejszym napięciem, aby zredukować pobór mocy w układzie. Jest to szczególnie widoczne w najnowocześniejszych układach RF ADC, gdzie sekcje cyfrowe zasilane są czasami napięciem tak niskim, jak 975 mV.

W tabeli poniżej porównano trzy przetworniki ADC z trzech różnych generacji, dla zobrazowania zmian, jakie następują w ich parametrach, jeśli chodzi o szybkość zasilania i poziom złożoności sekcji zasilania.



Izolacja jest kluczowa

Wraz ze zmniejszaniem wymiarów charakterystycznych tranzystorów w przetwornikach oraz zwiększaniem częstotliwości ich przełączania, do układów dodawane jest coraz więcej zintegrowanych funkcji.

Porównajmy dwa układy - AD9467 oraz AD9208. Pierwszy z nich produkowany jest w procesie 180 nm BiCMOS, a drugi 28 nm CMOS. Pierwszy z nich charakteryzuje się gęstością spektralną szumu na poziomie -157 dBFS/Hz, a drugi ‘zaledwie’ -152 dBFS/Hz. Jeśli teraz weźmiemy całkowitą moc zużywaną przez te układy na kanał i podzielimy ją przez ich rozdzielczość i częstotliwość próbkowania, otrzymamy skrajnie różne wartości: 330 μW/(bit*MSPS) i 40 μW/(bit*MSPS). Drugi z układów – AD9208 – ma o wiele większą częstotliwość próbkowania (3 GSPS w porównaniu z 0,25 GSPS) i dziesięć razy szersze pasmo (9 GHz vs 0,9 GHz); dodatkowo posiada wiele wbudowanych funkcji cyfrowych, a mimo to zużywa jedną ósmą mocy starszego układu. Jak to możliwe? Wszystko dzięki redukcji wymiarów tranzystorów w przetworniku.

Jednakże przyspieszanie układów ma też swoje wady i idą za tym różne wyzwania. Im wyższe częstotliwości pracy poszczególnych bloków, tym większe jest ryzyko sprzęgania się bloków i przenoszenia zakłóceń pomiędzy nimi. Aby zachować dobre parametry sygnału konieczne jest izolowanie bloków pomiędzy sobą, z uwzględnieniem różnych wektorów przenoszenia się zakłóceń.

Jedną z oczywistych dróg, którymi przenoszą się zakłócenia, są współdzielone linie zasilania. Jeśli do jednego zasilania dołączone są dwie (lub więcej) domeny, to będą przenikać pomiędzy nimi zakłócenia. Jeśli odseparujemy od siebie zasilanie poszczególnych domen możliwie daleko od samego przetwornika, to prawdopodobieństwo przenikania zakłóceń pomiędzy domenami zredukujemy do minimum.

Sama obudowa i rozkład wyprowadzeń układu AD9208 zaprojektowane są tak, aby wspomóc izolowanie domen od siebie. Widzimy to na rysunku 1 zaprezentowanym poniżej. W tabeli nad rysunkiem znajdują się opisy i wartość napięcia zasilania poszczególnych domen omawianego przetwornika.



Na rysunku 1 pokazano rozłożenie wyprowadzeń układu AD9208 wraz z zaznaczonymi poszczególnymi domenami zasilania.



Na pierwszy rzut oka można łatwo zagubić się w prezentowanych informacjach. Początkowo wydaje się, że aby uzyskać optymalne parametry działania przetwornika, konieczne jest daleko idące separowanie wszystkich domen zasilania pokazanego powyżej układu. Czy tak jest w rzeczywistości?

Czy te komplikacje nie mają końca?

Sytuacja nie jest taka dramatyczna, jak wydawać się może się po zapoznaniu się z danymi z karty katalogowej. Celem tych informacji jest jedynie zaznajomienie projektantów sekcji zasilania z rozkładem domen, aby podczas projektowania systemu móc zwrócić na to szczególną uwagę.

W rzeczywistości można uprościć konstrukcję całego układu, łącząc ze sobą szereg domen zasilania, a tym samym zmniejszyć jego koszt. Na rysunku 2 oraz rysunku 3 zaprezentowano dwa podejścia do realizacji systemu zasilania przetwornika AD9208.



Przy odpowiednim filtrowaniu i rozdzieleniu linii zasilania na płytce drukowanej, poszczególne domeny można rozdzielić tak, że uzyska się optymalne parametry pracy przetwornika, przy relatywnie prostym systemie zasilania. Dzięki temu możliwe jest zaprojektowanie wysokiej klasy systemu przy jednoczesnej minimalizacji ilości i ceny elementów na płytce drukowanej.

Aby uprościć prowadzenie masy, poszczególne domeny posiadają własne wylewki masy, co zapewnia lepszą ich izolację. Z punktu widzenia elektrycznego na schemacie widoczna jest tylko jedna masa, ale na płytce drukowanej są one rozdzielone od siebie i połączone ze sobą na jednej warstwie połączeniem Kelvina.

Taką topologię prowadzenia zasilania zastosowano w module AD9208-3000EBZ – płytce uruchomieniowej dla omawianego przetwornika ADC. PCB tego modułu ma aż dziesięć warstw, jak pokazano na rysunku 4. Możemy zobaczyć tam, jak zrealizowane są poszczególne połączenia domen zasilania i w jaki sposób rozwiązano rozdzielenie mas poszczególnych domen.



Więc, czy to koniec świata?

W ogóle. Fakt, że wszystkie te domeny zasilania w karcie katalogowej AD9208 są rozpisane w tak złożony sposób, nie oznacza, że koniecznie muszą być w pełni od siebie odseparowane na płytce w gotowym systemie.

Znając wymagania co do parametrów pracy układu, optymalizować można sekcję dostarczania mocy do przetwornika ADC. Dzięki inteligentnemu prowadzeniu ścieżek na płytce drukowanej unikniemy tworzenia pętli masy, a to jest kluczowe dla redukcji przesłuchów pomiędzy poszczególnymi domenami. Współdzielenie pewnych elementów przez poszczególne domeny zasilania z kolei pozwoli na uproszczenie systemu zasilania przetworniki i pozwoli zredukować zarówno złożoność, jak i koszt naszego systemu.

Projektowanie układów z nowoczesnymi zaawansowanymi przetwornikami ADC to nie koniec świata. Rozdzielenie domen zasilania pozwala uzyskać bardzo wysokie parametry układu i nie jest wcale takie trudne, jeśli zastosuje się kilka prostych zasad.

Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-153.html