傳統(tǒng)上,模擬IC設(shè)計(jì)工程師都是通過(guò)提升電源電壓和工作電流來(lái)提高設(shè)備的運(yùn)行速度和動(dòng)態(tài)范圍,但在能源效率意識(shí)愈強(qiáng)的今天這一方法已很難達(dá)到最佳的效果。現(xiàn)今,設(shè)計(jì)者不僅追求更高的工作頻率、可用帶寬、噪聲性能和動(dòng)態(tài)范圍,還要同時(shí)保證設(shè)備的功耗不變甚至更低。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的PowerWise產(chǎn)品采用創(chuàng)新的架構(gòu)和領(lǐng)先的制作工藝,不但性能強(qiáng)勁而且功耗極低。本文將通過(guò)采用圖1中的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)來(lái)展示如何利用高能源效率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、全差分放大器和時(shí)鐘調(diào)整電路來(lái)開發(fā)一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)。首先,我們先從PowerWise 品牌背后的技術(shù)內(nèi)涵談起。
圖1. 完整的參考設(shè)計(jì)電路板,當(dāng)中包含有ADC、全差分放大器和時(shí)鐘調(diào)整器電路。
為特定組件度身訂造的工藝技術(shù)
用來(lái)開發(fā)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的工藝技術(shù)并不一定適合用來(lái)開發(fā)高頻的低噪聲放大器。事實(shí)上,半導(dǎo)體公司一般都會(huì)使用幾種不同的工藝技術(shù),例如CMOS、BiCMOS和SiGe等。而使用哪一種工藝則取決于組件的要求。如果沒有優(yōu)秀的工藝技術(shù)相配合,再完美的電路設(shè)計(jì)也是有缺憾的。
不同于其他大多數(shù)的半導(dǎo)體供應(yīng)商,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體采用純CMOS技術(shù)去設(shè)計(jì)大部分最新的ADC。今天,CMOS技術(shù)可謂無(wú)處不在,原因是CMOS的邏輯門沒有任何的靜態(tài)功耗,但擁有較高的驅(qū)動(dòng)電流和速度。考慮到ADC內(nèi)包含有大量的數(shù)字電路,因此用純CMOS技術(shù)去實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)便可實(shí)現(xiàn)比BiCMOS更低的功耗。數(shù)字CMOS門電路在直流模式下不會(huì)消耗電流,但雙極的門電路即使在直流模式下都需消耗電流,因?yàn)殡娐沸枰秒娏鱽?lái)維持性能參數(shù)。結(jié)果,芯片中的數(shù)字部份會(huì)消耗較多的電流,從而提高整體的功耗。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體特別開發(fā)出VIP 10工藝來(lái)配合放大器電路的設(shè)計(jì)。VIP 10是一種高速、介質(zhì)隔離的互補(bǔ)雙極電路工藝,它在一片鍵合晶圓(bonded wafer)上采用深槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離以及優(yōu)化的高速放大器性能。鍵合晶圓采用的深槽技術(shù)可盡量降低寄生電容,優(yōu)化功率/帶寬性能、降低失真并使裸片的體積更小。采用高性能NPN和PNP晶體管的互補(bǔ)雙極晶體管設(shè)計(jì)可以為現(xiàn)今的高速放大器帶來(lái)最優(yōu)的性能組合,包括高帶寬、低功耗、低電源電壓、大輸出擺幅、高輸出電流和低失真。對(duì)于雙極晶體管來(lái)說(shuō),最常用的AC品質(zhì)因素是過(guò)渡頻率(FT),在這頻率下共發(fā)射極電流增益下降到單位級(jí)。在VCE=5V下,VIP 10 NPN和PNP的FT分別為9GHz和8GHz,大約比同類競(jìng)爭(zhēng)的工藝高出50%。晶體管的高FT意味著在既定工作點(diǎn)下其發(fā)射極-基極擴(kuò)散電容值會(huì)很低。配合VIP 10晶體管,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體可以設(shè)計(jì)出帶寬超過(guò)1GHz 或帶寬在100MHz 范圍以內(nèi)的放大器,而且其功耗可以非常低。因?yàn)閿U(kuò)散和寄生電容同時(shí)被大幅削減后,內(nèi)部級(jí)在很低的工作電流下也會(huì)出現(xiàn)低相位位移。對(duì)于某些雙極工藝來(lái)說(shuō),FT可以在較低電壓下大幅地下降,但若采用VIP 10工藝,那即使Vce=1V,FT都可維持在高水平:NPN可達(dá)7GHz而PNP可達(dá)5GHz。下面的公式1表示出一個(gè)雙極晶體管的過(guò)渡頻率是如何計(jì)算出來(lái)。
其中:
k是玻爾滋曼常數(shù)、T是絕對(duì)溫度、Cte 是發(fā)射極電容、q是電子的單位電荷、IC 是集電極電流、WB是基帶帶寬、μB是電子移動(dòng)性、rcs是集電極電阻、Ccb 是集電極電容、Xs 是集電極空間電荷區(qū)的寬度,而vx則是集電極空間電荷區(qū)的飽和速度。
創(chuàng)新的技術(shù)
上文中我們已探討過(guò)IC設(shè)計(jì)者通曉了最優(yōu)的電路設(shè)計(jì)方法、專利架構(gòu)和尖端的工藝技術(shù)就基本掌控了到業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的技術(shù),從而能夠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中開發(fā)出與眾不同的產(chǎn)品。要進(jìn)一步鞏固競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)者還必須緊隨業(yè)內(nèi)發(fā)展的潮流,諸如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的PowerWise等創(chuàng)新技術(shù)。PowerWise技術(shù)可以使數(shù)字處理器(例如DSP或FPGA)中的DSP或FPGA功耗降低70%。
PowerWise采用自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)和閾值調(diào)整技術(shù)可以在維持系統(tǒng)最低開銷的情況下自動(dòng)將數(shù)字邏輯電路中的工作電路和漏電功耗減到最低。PowerWise技術(shù)在業(yè)內(nèi)是獨(dú)一無(wú)二的,它是唯一一種可供所有電路開發(fā)商使用的先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)能源管理方案,不但內(nèi)容完備而且還可提供詳細(xì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息。通過(guò)使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)硬件接口,加上業(yè)內(nèi)知名合作伙伴ARM、TSMC、UMC、Synopsys等支持,這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用到任何CMOS工藝,而且設(shè)計(jì)工具和流程都已標(biāo)準(zhǔn)化,可配合任何的操作系統(tǒng)或應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能源效率。
建立一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)
設(shè)計(jì)參考可以為設(shè)計(jì)工程師提供了設(shè)計(jì)模版,其重要性不言而喻。特別是要求在不增加功耗的前提下提升系統(tǒng)性能時(shí),設(shè)計(jì)參考就顯得更為重要了。大多數(shù)棘手的設(shè)計(jì)問(wèn)題,例如選擇正確的組件、組件布置、系統(tǒng)布局和布線等,都可在這些設(shè)計(jì)參考中找到答案。基于服務(wù)客戶創(chuàng)建的高性能模擬系統(tǒng)的知識(shí)積累,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體建立起了一個(gè)匯聚杰作的設(shè)計(jì)參考庫(kù)。以最新加入?yún)⒖紟?kù)的ADC14DS105KARB參考設(shè)計(jì)為例,它采用了最新的PowerWise 家族LMH6552 差分驅(qū)動(dòng)器作為信號(hào)鏈的一部份。該組件與高速的ADC14DS105數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)方案結(jié)合在一起,為測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)良好的參考工具。
ADC14DS105KARB接收器參考設(shè)計(jì)板
ADC14DS105KARB是一個(gè)近零中頻接收器參考設(shè)計(jì)板,它所使用的組件如下:兩個(gè)LMH6552 帶寬差分電流反饋放大器；ADC14DS105 帶有LVDS輸出的14位、1GHz、雙路、105MSPS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；LMK02000低抖動(dòng)精密時(shí)鐘調(diào)整器,它帶有一個(gè)可在100Hz到20MHz帶寬范圍內(nèi)提供128fs抖動(dòng)的集成鎖相環(huán)路(PLL)；數(shù)個(gè)高能源效率的電源管理電路。
ADC14DS105KARB (其框圖見圖2)是一塊中頻接收器子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)板,它采用一對(duì)LMH6552差分驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)雙路ADC,可以立即測(cè)試適用于直流電至40MHz信號(hào)頻率的正交直接轉(zhuǎn)換或近零中頻接收器。這個(gè)接收器架構(gòu)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到WiMAX 和WCDMA接收器系統(tǒng)。
圖2. 參考設(shè)計(jì)板的框圖。
由于ADC的輸入帶寬高達(dá)1GHz,而差分放大器增益級(jí)的帶寬高達(dá),因此若輸入信號(hào)不超過(guò)40MHz,大信號(hào)的信噪比可達(dá) 73.3滿刻度分貝值(dBFS),而無(wú)雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)則超過(guò)85dBFS。這款電路板除了采用LMH6552之外,還安裝了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的14位、 105MSPS、低失真、低噪聲、并可輸出串行LVDS數(shù)據(jù)的雙通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC14DS105、低抖動(dòng)時(shí)鐘調(diào)整器LMK02000以及多顆高能效的電源管理IC。
LMH6552是一個(gè)高性能全差分放大器,它能提供驅(qū)動(dòng)14位高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的超強(qiáng)信號(hào)保真度和寬闊的大信號(hào)帶寬。通過(guò)采用獲得專利的差分電流模式輸入級(jí)架構(gòu),LMH6552能夠在不犧牲響應(yīng)平坦度、帶寬、諧波失真或輸出噪聲性能下,在增益大于一個(gè)單位級(jí)下工作。
配合外置的增益設(shè)置電阻器和集成式的共模反饋, LMH6552可被配置成一個(gè)差分輸入到差分輸出,或信號(hào)單端輸入到差分輸出的增益級(jí)。LMH6552的輸入端可作交流耦合或直流耦合,因此可以應(yīng)用到諸如通信系統(tǒng)及高速示波器的前端電路等非常廣泛的領(lǐng)域。
LMH6552的電流反饋拓?fù)涫蛊骷词乖诟咴鲆嫦?只需選擇合適的反饋電阻(RF1, RF2),便可提供有超強(qiáng)增益平坦度和噪聲性能的增益和帶寬獨(dú)立性。在大多數(shù)的應(yīng)用中,RF1都被設(shè)置成等于RF2,因此增益是由RF/RG的比例來(lái)決定。
LMH6512的數(shù)據(jù)表根據(jù)各種各樣的增益給出最優(yōu)的反饋電阻器數(shù)值。無(wú)論是過(guò)大或過(guò)小的RF都會(huì)對(duì)穩(wěn)定性構(gòu)成影響。在許可的情況下,反饋電阻器還可以調(diào)整頻率響應(yīng)。
電流反饋放大器的另一優(yōu)點(diǎn)是需要內(nèi)部增益級(jí)相對(duì)較低。通常一個(gè)電流反饋放大器主要包含有一個(gè)輸入緩沖器、一個(gè)增益級(jí)和一個(gè)輸出緩沖器。擁有較少的增益級(jí)意味著經(jīng)過(guò)開環(huán)電路的延遲會(huì)較少,從而在相同的功耗下能獲得較大的帶寬。
圖3中的基本電流反饋(CFB)拓?fù)涫且粋€(gè)單級(jí)放大器。電路中的唯一高阻抗節(jié)點(diǎn)是在輸出緩沖器的輸入。VFB放大器通常需要兩個(gè)或以上的增益級(jí)才能獲得足夠的開環(huán)增益,這些附加的增益級(jí)不單會(huì)增加延遲,而且還會(huì)降低帶寬的穩(wěn)定性。
濾波器。"/>
圖4. LMH6552電路和5階低通濾波器。
圖4說(shuō)明了放大器的參考電路板配置。當(dāng)中的輸入是50Ω和直流耦合。LMH6552被配置成單端到差分模式轉(zhuǎn)換,而ADC14DS105的VCOM輸出會(huì)用作放大器的共模輸入。每一個(gè)放大器都被配置成有6分貝的增益,因此最大的輸入信號(hào)電平為1Vp-p,并在放大器的輸出處產(chǎn)生出2Vp-p。這里建議放大器最好由一個(gè)雙電源軌來(lái)供電(+/- 5VDC)。在VCCAA- 和VCCAB-處設(shè)置跳線,電路板就可在單電源模式下工作,詳細(xì)信息可參考LMH6552數(shù)據(jù)表中有關(guān)LMH6552單電源工作的部分。要獲得最佳的失真性能(最佳SFDR),建議采用一個(gè)低噪聲信號(hào)發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)評(píng)估板的信號(hào)輸入,而信號(hào)發(fā)生器的輸出應(yīng)該經(jīng)過(guò)帶通濾波以抑制由信號(hào)發(fā)生器引入的諧波失真,以及容許進(jìn)行精確的噪聲和失真性能測(cè)量。然而,跟隨在LMH6552之后的43MHz的5階低通濾波器可過(guò)濾信號(hào)發(fā)生器的寬帶噪聲,從而進(jìn)一步改善ADC的噪聲性能。濾波器輸出會(huì)被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。
ADC14DS105是世上第一款帶有串行化LVDS輸出的14位高速、1GHz FPBW的雙路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,它采用串行化LVDS輸出大幅地減少了需要跨過(guò)電路板或在電路板之間的導(dǎo)線數(shù)量,因此大大地簡(jiǎn)化電路板的布局。
用來(lái)替模擬輸入采樣的ADC時(shí)鐘信號(hào)是由一個(gè)經(jīng)LMK02000精密時(shí)鐘調(diào)整器控制的VCOX所產(chǎn)生。該LMK02000為用戶提供一個(gè)設(shè)有時(shí)鐘分配區(qū)的超低噪聲鎖相環(huán)路(PLL),它可提供5個(gè)LVPECL輸出和3個(gè)LVDS輸出(全為差分)。
每一條在LMK02000上的時(shí)鐘輸出通道均包含有一個(gè)分頻器模塊和延遲調(diào)整時(shí)鐘。LMK02000一般都會(huì)跟一個(gè)低抖動(dòng)的VCOX連接在一起。在這種情況下,一個(gè)Crystek 型號(hào)的CVHD-950X-100.0可提供一個(gè)單端CMOS時(shí)鐘信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC的時(shí)鐘輸入。LMK02000 的鎖相環(huán)路可把這個(gè)VCOX鎖定到一個(gè)25MHz的參考振蕩器(Connor-Winfield 型號(hào)CWX823),而LMK02000的鎖相環(huán)路計(jì)數(shù)器、相位檢測(cè)器和電荷泵是采用PIC微控制器電路板來(lái)編程的,詳情請(qǐng)參看用戶指南。
LMK02000的RMS信號(hào)抖動(dòng)僅為128fs(輸入的時(shí)鐘范圍由100Hz到20MHz)。圖5表示出時(shí)鐘的相位噪聲性能,該性能值是在LMK02000的CLKout4情況下測(cè)量出的。從VCOX產(chǎn)生出來(lái)的單端時(shí)鐘信號(hào)會(huì)供給ADC14DS105的CLK輸入。
圖5. LMK02000的相位噪聲性能。
LMK02000精密時(shí)鐘調(diào)整器將多種功能結(jié)合在一起,包括抖動(dòng)清除/重新調(diào)整、倍頻和參考時(shí)鐘分配。該器件集成了一個(gè)高性能的整數(shù)-N鎖相環(huán)路(PLL)、一個(gè)局部集成,環(huán)路濾波器、三個(gè)LVDS輸出和5個(gè)LVPECL時(shí)鐘輸出分配模塊。
圖6. 典型SFDR和SNR性能與輸入頻率的關(guān)系。
圖6所示為差分放大器、帶通濾波器和ADC的結(jié)合通道響應(yīng)。請(qǐng)注意圖中最佳的動(dòng)態(tài)性能和通道間的匹配性。
作者:
Paul McCormack
資深產(chǎn)品應(yīng)用工程師
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司
