新一代GSPS(每秒千兆采样)ADC(模数转换器)在系统实施中提供了业界领先的性能和可靠性。但是,如果SPI接口每次读取时都返回0xFF,肯定是存在故障。这很可能意味着ADC内部的某些器件没有正常工作。让我们找出故障所在。

新一代的GSPS ADC(例如AD9680)是基于深亚微米65 nm CMOS工艺设计的。为了满足必要的交流性能规范,设计必须适应多个电压域(1.25 V、2.5 V、3.3 V)。通常,具有多个电压域的任何硅器件都需要某种类型的电源时序控制。但是,ADI公司的设计人员内置了一些监控电路,从而让客户能更加轻松地在他们的系统中部署AD9680 而无需任何电源时序控制。

AD9680带有内置的上电复位 (POR) 保护电路,用于管理所有供电轨。除非此POR电路满足供电轨电平,否则器件将处于复位模式下。在复位模式下,如果SPIVDD的电压为1.8 V、2.5 V或3.3 V,则ADC将在每次读取时通过SPI端口发送0xFF。看起来我们好像快要找到问题的一个突破口了,这就是可靠的老式数字万用表 (DMM)。它在检测故障方面可以发挥很大的作用。

首先,请使用DMM检查AD9680不同引脚上的电源电压。就POR电路而言,很可能是其中一个引脚的电压超出了范围。这让问题变得有点复杂。请参见图1,它显示AD9680-1250的方框原理图,时钟频率为1.25 GHz。初看原理图似乎一切正常。其中没有显示去耦电容,也没有显示其他电源域。重点是1.25 V域,因为它是最小的电源电压。

ADI17042102 图1. 使用ADP1741 LDO驱动AD9680上的1.25 V域。

ADP1741应该有足够的空间,为连接到1.25 V电源的所有域供电。但是,导致此处问题的祸首既不是LDO,也不是ADC,而是被忽视的铁氧体磁珠。通常,铁氧体磁珠用于在电源网络中为进入特定设备的所有电源进行滤波。铁氧体磁珠的一个经常会被忽略的参数是DCR(直流电阻)。而我们为什么必须关注DCR呢?因为这是一位名叫乔治 · 西蒙 · 欧姆的先生说的。

欧姆定律告诉我们,通过某段导体两点之间的电流跟这两点之间的电压成正比。因此,ADP1741 LDO输出的测量值可能为1.25 V,这一数值听起来没有问题。但是,如果您测量ADC引脚的电压或铁氧体磁珠另一端的电压,DMM的读数为1.12 V(假定标称电流)。这正是ADC SPI读取0xFF的真正原因。保护电路显然认为AD9680内部的电压异常。

那么有什么解决方法呢?有多个选项:

  1. 选择不使用铁氧体磁珠。这样做可能会让设计更易受噪声干扰,也可能不会。

  2. 上调LDO输出电压,以便将铁氧体磁珠两侧的IR压降纳入考量。但是,如果没有拉取适当大小的电流,则AD9680可能承受过大电压。

  3. 选择具有相同阻抗和载流能力,但DCR更低(小于50 mΩ)的铁氧体磁珠。

  4. 将电压输出划分为相应的域(AVDD1、AVDD1_SR、DVDD、DRVDD),并使用具有较低DCR的铁氧体磁珠,以确保适当的工作电压。

图2显示了以上讨论的选项2和选项4。选项4提供了最佳平衡。但是,它会增加物料单 (BOM) 成本,我们必须考虑到这一点。选项4提供AVDD、DVDD和DRVDD域之间的滤波,从而提供更高的抗扰度。

ADI17042103 图2:选择和使用铁氧体磁珠为AD9680供电的不同选项。

因此,在您下一次插入ADC并为其提供时钟信号时,如果发现它无法工作,SPI在每个读取周期都返回0xFF,那么您也许应该感谢欧姆先生。在这种情况下,您的首选工具应该是历史悠久的DMM,而非示波器,也无需求助于应用工程师。铁氧体磁珠当然能够为系统提供出色的抗扰度。但是,如果没有正确进行选择,又忽视了欧姆定律,那么这个小器件可能导致严重的问题,影响ADC性能在系统中的实现。