Импульсный DC/DC питает GSPS АЦП и почти не портит спектр
У высокоскоростного преобразователя питание быстро превращается в радиосигнал. Пульсации на аналоговом домене модулируют входной тон, токи цифровой логики возвращаются через землю, а поле дросселя может попасть в чувствительную входную цепь. Поэтому многогигагерцовые АЦП часто окружают линейными стабилизаторами: схема получается прожорливой, горячей и дорогой, зато её спектральное поведение легче предсказать.
В работе Analog Devices 2015–2016 годов проверили, насколько далеко можно сдвинуть эту границу. На оценочной плате двухканального 14-битного AD9680 с частотой до 1.25 GSPS сравнили лабораторное питание, штатную PDN платы, вариант с единым LDO для доменов 1.25 V и вариант с импульсным регулятором. Синхронный ADP2164 питал AVDD1, AVDD1_SR, DVDD и DRVDD — то есть аналоговое ядро, его чувствительный домен, цифровое ядро и драйверы интерфейса.
Это был не buck, подведённый дорожкой прямо к выводам микросхемы. После регулятора стоял двухступенчатый LC-фильтр с индуктивностями 1.0 и 2.2 µH, затем ферритовые бусины разделяли домены. AVDD2 на 2.5 V оставили за LDO, AVDD3 получал 3.3 V напрямую, а SPIVDD в испытанной конфигурации продолжал питаться от отдельного LDO на 1.8 V. Отсюда и более точная формулировка результата: импульсник заменил линейные регуляторы лишь для четырёх самых нагруженных 1.25-вольтовых шин.
По SNR опыт выглядит почти вызывающе. Для switcher-PDN получены 66.7 dBFS на входной частоте 63 MHz, 63.8 dBFS на 450 MHz и 56.6 dBFS на 1983 MHz. Во всех девяти опубликованных частотных точках разница со штатной PDN составила от 0.0 до +0.2 dB. Иными словами, правильно собранная сеть питания не дала импульсному регулятору забрать заметную часть шумового бюджета АЦП.
Но FFT не прощает красивых усреднений. Возле несущей остались боковые составляющие с отстройкой 1.2 MHz — частоты переключения ADP2164: около −105 dBFS при тоне 170 MHz и −94 dBFS при 785 MHz. SFDR тоже не показал безусловной победы: в отдельных точках схема с buck уступала штатной на 1 dB. Для широкополосного измерителя такой след может потеряться далеко под полезным диапазоном, а для приёмника с каналом ровно на этой отстройке он способен стать причиной переделки всей PDN.
Именно здесь меняется инженерная картина. Вопрос состоит не в том, «достаточно ли тихий» DC/DC по осциллограмме на выходе. Нужно совместить частоту переключения с частотным планом, построить затухание фильтра без опасных резонансов, отделить возвратные токи доменов и физически вынести дроссель с горячими контурами от входного согласования и генератора тактовой частоты. Авторы отдельно требуют размещать фильтр возле АЦП, а buck с магнитными компонентами удалять от аналогового входа и clock-цепи.
Результат нельзя переносить на произвольную плату с другим преобразователем или числом каналов. Он также не доказывает, что LDO больше не нужны. Зато он разрушает удобное правило, по которому RF АЦП обязательно надо кормить только линейным питанием: у импульсника есть путь к GSPS-тракту, если PDN проектируют как часть аналоговой схемы и проверяют по спектру, а не по одной цифре пульсаций.