新一代GSPS(每秒千兆採樣)ADC在系統建置中提供了領導業界的性能和可靠性。但是,如果SPI每次讀取時都返回0xFF,肯定是存在著故障。而這很可能意味著,ADC內部的某些元件並沒有正常運作。現在,就讓我們找出故障所在。

新一代的GSPS ADC(例如AD9680)是基於深亞微米65nm CMOS製程所設計。為了滿足必要的交流性能規範,其設計必須能適應多個電壓域(1.25V、2.5V、3.3V)。一般而言,具有多個電壓域的任何矽元件都需要某種類型的電源時序控制。但是,ADI的設計人員內建了一些監控電路,讓客戶能更加輕鬆地在他們的系統中部署AD9680,而無需任何電源時序控制。

AD9680具備內建的上電復位(POR)保護電路以用於管理所有供電軌。除非此POR電路滿足供電軌位準,否則元件將處於復位模式下。在復位模式下,如果SPIVDD的電壓為1.8V、2.5V或3.3V,則ADC將在每次讀取時透過SPI埠發送0xFF。看起來,我們好像快要找到問題的一個突破點了,而這就是可靠的舊式數位萬用錶(DMM),它在檢測故障方面可以發揮很大的作用。

首先,請使用DMM檢查AD9680不同針腳上的電源電壓。就POR電路而言,很可能是其中一個針腳的電壓超出了範圍。這讓問題變得有點複雜,請參見圖1,它顯示AD9680-1250的方框原理圖,時脈頻率為1.25GHz。初看原理圖似乎一切正常。其中沒有顯示去耦電容,也沒有顯示其他電源域。重點是1.25V域,因為它是最小的電源電壓。

20200117NT71P1 圖1 使用ADP1741 LDO驅動AD9680上的1.25V域。

ADP1741應該有足夠的空間,為連接到1.25V電源的所有域供電。但是,導致此處問題的禍首既不是LDO,也不是ADC,而是被忽視的鐵氧體磁珠。通常,鐵氧體磁珠用於在電源網路中為進入特定設備的所有電源進行濾波,鐵氧體磁珠的一個經常會被忽略的參數是直流電阻(DCR)。而我們為什麼必須關注DCR呢?因為這是喬治·賽門·歐姆(Georg Simon Ohm)先生告訴我們的。

歐姆定律告訴我們,透過某段導體兩點之間的電流跟這兩點之間的電壓成正比。因此,ADP1741 LDO輸出的測量值可能為1.25V,這一數值乍聽是沒有問題。但是,如果你測量ADC針腳的電壓或鐵氧體磁珠另一端的電壓,DMM的讀數為1.12V(假定標稱電流),這正是ADC SPI讀取0xFF的真正原因,保護電路顯然認為AD9680內部的電壓異常。

那麼有什麼解決方法呢?選項可以有很多個:

1.選擇不使用鐵氧體磁珠。這樣做可能會讓設計更易受雜訊干擾,也可能不會;

2.上調LDO輸出電壓,以便將鐵氧體磁珠兩側的IR壓降納入考量。但是,如果沒有拉取適當大小的電流,則AD9680可能承受過大電壓;

3.選擇具有相同阻抗和載流能力,但DCR更低(小於50mΩ)的鐵氧體磁珠;

4.將電壓輸出劃分為相應的域(AVDD1、AVDD1_SR、DVDD、DRVDD),並使用具有較低DCR的鐵氧體磁珠,以確保適當的操作電壓;

圖2顯示了以上討論的選項2和選項4。選項4提供了最佳平衡,但是,它會增加物料清單 (BOM) 成本,我們必須考慮到這一點。選項4提供AVDD、DVDD和DRVDD域之間的濾波,從而提供更高的抗擾度。

20200117NT71P2 圖2 選擇和使用鐵氧體磁珠為AD9680供電的不同選項。

因此,在下一次插入ADC並為其提供時脈訊號時,如果發現它無法工作,SPI在每個讀取周期都返回0xFF,那麼你也許應該感謝歐姆先生。在這種情況下,你的首選工具應該是歷史悠久的DMM而非示波器,同時也無需求助於應用工程師。鐵氧體磁珠當然能夠為系統提供傑出的抗擾度,但是,如果沒有正確進行選擇,又忽視了歐姆定律,那麼這個小元件可能導致嚴重的問題,進而影響ADC性能在系統中的實現。