【導讀】為了解電源域和電源的增長(cháng)情況，我們需要追溯ADC的歷史脈絡(luò )。早在A(yíng)DC不過(guò)爾爾的時(shí)候，采樣速度很慢，大約在數十MHz內，而數字內容很少，幾乎不存在。電路的數字部分主要涉及如何將數據傳輸到數字接收邏輯——專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)。用于制造這些電路的工藝節點(diǎn)幾何尺寸較大，約在180 nm或更大。
問(wèn)：高速 ADC 為什么有如此多電源域？
答：在采樣速率和可用帶寬方面，當今的射頻模數轉換器(RF ADC)已有長(cháng)足的發(fā)展。其中還納入了大量數字處理功能，電源方面的復雜性也有提高。那么，當今的RF ADC為什么有如此多不同的電源軌和電源域？
為了解電源域和電源的增長(cháng)情況，我們需要追溯ADC的歷史脈絡(luò )。早在A(yíng)DC不過(guò)爾爾的時(shí)候，采樣速度很慢，大約在數十MHz內，而數字內容很少，幾乎不存在。電路的數字部分主要涉及如何將數據傳輸到數字接收邏輯——專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)。用于制造這些電路的工藝節點(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字域），便可獲得足夠好的性能。
隨著(zhù)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(zhù)每 mm2面積上可以容納更多的晶體管（即特征）。但是，人們仍然希望 ADC 實(shí)現與其前一代器件相同（或更好）的性能。
現在，ADC 的設計采取了多層面方法，其中：
采樣速度和模擬帶寬必須得到改善；
性能必須與前一代相同或更好；
納入更多片內數字處理功能來(lái)輔助數字接收邏輯。
下面將進(jìn)一步討論上述各方面特性以及它們對芯片設計構成怎樣的挑戰。
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。使用更精細的 CMOS 晶體管可降低寄生效應，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。數字電路的功耗與開(kāi)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：
其中：
P為功耗
CLD 為負載電容
V 為電源電壓
fSW 為開(kāi)關(guān)頻率
幾何尺寸越小，電路設計人員能實(shí)現的電路速度就越快，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)設計而成。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工藝電路的運行速度可以是65 nm工藝電路的一倍。AD9208很好地說(shuō)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)界采用更精細的幾何尺寸，不過(guò)對數據轉換器性能（如噪聲和線(xiàn)性度）的期望仍然存在。這對模擬設計提出了獨特的挑戰。轉向更小幾何尺寸的一個(gè)不希望出現的結果是電源電壓降低，這使得開(kāi)發(fā)模擬電路以工作在高采樣速率并保持相同的噪聲/線(xiàn)性度性能所需的裕量大大降低。為了克服這一限制，電路設計有不同的電壓軌以提供所需的噪聲和線(xiàn)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，以及數字和驅動(dòng)器輸出。1.9 V電源為基準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(méi)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(huì )導致線(xiàn)性度性能下降。
數字電路不需要裕量，因為最重要的參數是速度。所以，數字電路通常以最低電源電壓運行，以獲取CMOS開(kāi)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(jiàn)ADC。
表1：產(chǎn)品比較
隔離是關(guān)鍵
隨著(zhù)業(yè)界轉向深亞微米技術(shù)和高速開(kāi)關(guān)電路，功能集成度也在提高。以 AD9467 和A D9208為例，AD9467采用180 nm BiCMOS工藝，而AD9208采用28 nm CMOS工藝。當然，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，如果拿數據手冊做一個(gè)簡(jiǎn)單的計算，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A D9467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），并且集成了更多數字特性。A D9208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)標準指標，其在本例中的作用是突出ADC設計中使用更小尺寸工藝的好處。當超快電路在非常近的距離內運行時(shí)，各個(gè)模塊之間總會(huì )存在耦合或震顫的風(fēng)險。
為了改善隔離，設計者必須考慮各種耦合機制。最明顯的機制是通過(guò)共享電源域。如果電源域盡可能遠離電路，那么共享同一電壓軌（AD9208為0.975 V）的數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(kāi)，接地也是如此。封裝設計繼續貫徹了這種隔離電源域處理。由此所得的同一封裝內不同電源域和地的劃分，如表2所示，其以AD9208為例。
表2：AD9208電源域和接地域
顯示AD9208各不同域的引腳排列圖如圖1所示。
圖1. AD9208引腳配置（頂視圖）
這可能會(huì )讓系統設計人員驚慌失措。乍一看，數據手冊給人的印象是這些域需要分開(kāi)處理以?xún)?yōu)化系統性能。
看不到盡頭?
情況并不像看起來(lái)那么可怕。數據手冊的目的僅僅是喚起人們對各種敏感域的關(guān)注，讓系統設計人員可以關(guān)注PDN（電源輸送網(wǎng)絡(luò )）設計，對其進(jìn)行適當的劃分。共享相同供電軌的大多數電源域和接地域可以合并，因此PDN可以簡(jiǎn)化。這導致BOM（物料清單）和布局得以簡(jiǎn)化。根據設計約束，圖2和圖3顯示了AD9208的兩種PDN設計方法。
圖2. AD9208引腳配置（頂視圖）
圖3. AD9208 PDN，DC-DC轉換器為所有域供電
通過(guò)充分濾波和布局分離，各個(gè)域可以合理布置，使得ADC性能最大化，同時(shí)降低BOM和PDN復雜性。各接地域采用開(kāi)爾文連接方法也會(huì )改善隔離。從網(wǎng)表角度來(lái)看，仍然只有一個(gè)GND網(wǎng)。電路板可以劃分為不同接地域以提供充分的隔離。在A(yíng)D9208的評估板AD9208-3000EBZ中，不同接地分區在第9層上形成開(kāi)爾文連接。圖4所示為10層PCB（印刷電路板）AD9208-3000EBZ的橫截面，其顯示了不同GND連接。
圖4. AD9208下方的AD9208-3000 EBZ PCB橫截面
所以，這不是世界末日？
絕對不是。僅僅因為AD9208數據手冊顯示了所有這些域，并不意味著(zhù)它們在系統板上必須全部分離。了解系統性能目標和ADC目標性能對優(yōu)化ADC的PDN起著(zhù)重要作用。在電路板上使用智能分區以減少不必要的接地回路，是將各個(gè)域之間的串擾降到最低的關(guān)鍵。適當地共享電源域，同時(shí)滿(mǎn)足隔離要求，將能簡(jiǎn)化PDN和BOM。
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