如今，在設(shè)計(jì)人員面對眾多電源選擇的情況下，為高速ADC設(shè)計(jì)清潔電源時(shí)可能會(huì)面對巨大挑戰(zhàn)。在利用高效開關(guān)電源而非傳統(tǒng)LDO的場合，這尤其重要。此外，多數(shù)ADC并未給出高頻電源抑制規(guī)格，這是選擇正確電源的一個(gè)關(guān)鍵因素。

本技術(shù)文章將描述用于測量轉(zhuǎn)換器AC電源抑制性能的技術(shù)，由此為轉(zhuǎn)換器電源噪聲靈敏度確立一個(gè)基準(zhǔn)。我們將對一個(gè)實(shí)際電源進(jìn)行的簡單噪聲分析，展示如何把這些數(shù)值應(yīng)用于設(shè)計(jì)當(dāng)中，以驗(yàn)證電源是否能滿足所選轉(zhuǎn)換器的要求?？傊疚膶⒚枋鲆恍┖唵蔚闹笇?dǎo)方針，以便帶給用戶一些指導(dǎo)，幫助其為高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)電源。

當(dāng)今許多應(yīng)用都要求高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有12位或以上的分辨率，以便用戶能夠進(jìn)行更精確的系統(tǒng)測量。然而，更高分辨率也意味著系統(tǒng)對噪聲更加敏感。系統(tǒng)分辨率每提高一位，例如從12位提高到13位，系統(tǒng)對噪聲的敏感度就會(huì)提高一倍。因此，關(guān)于ADC設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員必須考慮一個(gè)常常被遺忘的噪聲源系統(tǒng)電源。ADC屬于敏感型器件，每個(gè)輸入(即模擬、時(shí)鐘和電源輸入)均應(yīng)平等對待，以便如數(shù)據(jù)手冊所述，實(shí)現(xiàn)最佳性能。噪聲來源眾多，形式多樣，噪聲輻射會(huì)影響性能。

圖1

當(dāng)今電子業(yè)界的時(shí)髦概念是新設(shè)計(jì)在降低成本的同時(shí)還要綠色環(huán)保。具體到便攜式應(yīng)用，它要求降低功耗、簡化熱管理、最大化電源效率并延長電池使用時(shí)間。然而，大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊建議使用線性電源，因?yàn)槠湓肼暤陀陂_關(guān)電源。這在某些情況下可能確實(shí)如此，但新的技術(shù)發(fā)展證明，開關(guān)電源可以也用于通信和醫(yī)療應(yīng)用(見參考文獻(xiàn)部分的HowtoTestPowerSupplyRejectionRatio(PSRR)inanADC(如何測試ADC中的電源抑制比(PSRR)))。

本文介紹關(guān)于了解高速ADC電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要的各種測試測量方法。為了確定轉(zhuǎn)換器對供電軌噪聲影響的敏感度，以及確定供電軌必須處于何種噪聲水平才能使ADC實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能，有兩種測試十分有用：一般稱為電源抑制比(PSRR)和電源調(diào)制比(PSMR)。

模擬電源引腳詳解

一般不認(rèn)為電源引腳是輸入，但實(shí)際上它確實(shí)是輸入。它對噪聲和失真的敏感度可以像時(shí)鐘和模擬輸入引腳相同敏感。即使進(jìn)入電源引腳的信號(hào)實(shí)際上是直流，而且一般不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)性波動(dòng)，但直流偏置上仍然存在有定量的噪聲和失真。導(dǎo)致這種噪聲的原因可能是內(nèi)部因素，也可能是外部因素，結(jié)果會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的性能。

想想經(jīng)典的應(yīng)用案例，其中，轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘信號(hào)中有噪聲或抖動(dòng)。采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)可能表現(xiàn)為近載波噪聲，并且/或者還可能表現(xiàn)為寬帶噪聲。這兩種噪聲都取決于所使用的振蕩器和系統(tǒng)時(shí)鐘電路。即使把理想的模擬輸入信號(hào)供應(yīng)給理想的ADC，時(shí)鐘雜質(zhì)也會(huì)在輸出頻譜上有所表現(xiàn)，如圖2所示。

圖2.采樣時(shí)鐘噪聲對理想數(shù)字化正弦波的影響

由該圖可以推論出是電源引腳。用一個(gè)模擬電源引腳(AVDD)代替圖2中的采樣時(shí)鐘輸入引腳。相同的原理在此同樣適用，即任何噪聲(近載波噪聲或?qū)拵г肼?將以這種卷積方式出現(xiàn)在輸出頻譜上。然而，有一點(diǎn)不同；可以將電源引腳視為帶一個(gè)40dB至60dB的衰減器(具體取決于工藝和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))的寬帶輸入引腳。在通用型MOS電路結(jié)構(gòu)中，任何源極引腳或漏極引腳在本質(zhì)上都是與信號(hào)路徑相隔離的(呈阻性)，從而帶來大量衰減，柵極引腳或信號(hào)路徑則不是這樣。假定該設(shè)計(jì)采用正確的電路結(jié)構(gòu)類型來使隔離效果達(dá)到最大化。在電源噪聲非常明顯的情況下，有些類型(如共源極)可能并不是十分合適，因?yàn)殡娫词峭ㄟ^阻性元件偏置的，而該阻性元件后來又連接到輸出級，如圖3和圖4所示。AVDD引腳上的任何調(diào)制、噪聲等可能更容易表現(xiàn)出來，從而對局部和/鄰近電路造成影響。這正是要了解并探索轉(zhuǎn)換器PSRR數(shù)據(jù)的原因所在。

圖3.不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案A

圖4.不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案B

正如不同實(shí)現(xiàn)方式所示，存在寄生R、C和失配造成的不同頻率特性。記住，工藝也在不斷變小，隨著工藝的變小，可用帶寬就會(huì)新增，可用速率也會(huì)提升。考慮到這一點(diǎn)，這意味著更低的電源和更小的閾值。為此，為何不把電源節(jié)點(diǎn)當(dāng)作高帶寬輸入呢，就像采樣時(shí)鐘或模擬輸入引腳相同呢？

何謂電源抑制

當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí)，決定ADC性能的因素重要有三個(gè)，它們是PSRR-dc、PSRR-ac和PSMR。PSRR-dc指電源電壓的變化與由此產(chǎn)生的ADC增益或失調(diào)誤差的變化之比值，它可以用最低有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)、百分比或?qū)?shù)dB(PSR=20log10(PSRR))來表示，通常規(guī)定采用直流條件。

但是，這種方法只能揭示ADC的一個(gè)額定參數(shù)隨電源電壓可能會(huì)如何變化，因此無法證明轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。更好的方法是在直流電源之上施加一個(gè)交流信號(hào)，然后測試電源抑制性能(PSRR-ac)，從而主動(dòng)通過轉(zhuǎn)換器電路耦合信號(hào)(噪聲源)。這種方法本質(zhì)上是對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行衰減，將其自身表現(xiàn)為雜散(噪聲)，它會(huì)在某一給定幅度升高至轉(zhuǎn)換器噪底以上。其意義是表明在注入噪聲和幅度給定的條件下轉(zhuǎn)換器何時(shí)會(huì)崩潰。同時(shí)，這也能讓設(shè)計(jì)人員了解到多大的電源噪聲會(huì)影響信號(hào)或加入到信號(hào)中。PSMR則以不同的方式影響轉(zhuǎn)換器，它表明當(dāng)與施加的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，轉(zhuǎn)換器對電源噪聲影響的敏感度。這種影響表現(xiàn)為施加于轉(zhuǎn)換器的IF頻率附近的調(diào)制，假如電源設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，它可能會(huì)嚴(yán)重破壞載波邊帶。

總之，電源噪聲應(yīng)當(dāng)像轉(zhuǎn)換器的任何其他輸入相同進(jìn)行測試和處理。用戶必須了解系統(tǒng)電源噪聲，否則電源噪聲會(huì)提高轉(zhuǎn)換器噪底，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

電源測試

圖6所示為在系統(tǒng)板上測量ADCPSRR的設(shè)置。分別測量每個(gè)電源，以便更好地了解當(dāng)一個(gè)交流信號(hào)施加于待測電源之上時(shí)，ADC的動(dòng)態(tài)特性。開始時(shí)使用一個(gè)高容值電容，例如100F非極化電解質(zhì)電容。電感使用1mH，充當(dāng)直流電源的交流阻塞器，一般將它稱為偏置-T，可以購買采用連接器式封裝的產(chǎn)品。

使用示波器測量交流信號(hào)的幅度，將一個(gè)示波器探針放在電源進(jìn)入待測ADC的電源引腳上。為簡化起見，將施加于電源上的交流信號(hào)量含義為一個(gè)與轉(zhuǎn)換器輸入滿量程相關(guān)的值。例如，假如ADC的滿量程為2Vp-p，則使用200mVp-p或20dB。接下來讓轉(zhuǎn)換器的輸入端接地(不施加模擬信號(hào))，查找噪底/FFT頻譜中處于測試頻率的誤差雜散，如圖5所示。若要計(jì)算PSRR，只需從FFT頻譜上所示的誤差雜散值中減去20dB即可。例如，假如誤差雜散出現(xiàn)在噪底的80dB處，則PSRR為80dB20dB，即60dB(PSRR=誤差雜散(dB)示波器測量結(jié)果(dB))。60dB的值似乎并不大，但假如換算成電壓，它相當(dāng)于1mV/V(或1060/20)，這個(gè)數(shù)字關(guān)于任何轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中的PSRR規(guī)格而言都并不鮮見。

圖5.PSRRFFT頻譜示例

圖6.典型的PSRR測試設(shè)置

下一步是改變交流信號(hào)的頻率和幅度，以便確定ADC在系統(tǒng)板中的PSRR特性。數(shù)據(jù)手冊中的大部分?jǐn)?shù)值是典型值，可能只針對最差工作條件或最差性能的電源。例如，相關(guān)于其他電源，5V模擬電源可能是最差的。應(yīng)確保所有電源的特性都有說明，假如說明得不全面，請咨詢廠家。這樣，設(shè)計(jì)人員將能為每個(gè)電源設(shè)置適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)約束條件。

請記住，使用LC配置測試PSRR/PSMR時(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)掃描目標(biāo)頻段時(shí)，為使ADC電源引腳達(dá)到所需的輸入電平，波形發(fā)生器輸出端所需的信號(hào)電平可能非常高。這是因?yàn)長C配置會(huì)在某一頻率(該頻率取決于所選的值)形成陷波濾波器。這會(huì)大大新增陷波濾波器處的接地電流，該電流可能會(huì)進(jìn)入模擬輸入端。要解決這一問題，只需在測試頻率造成測量困難時(shí)換入新的LC值。這里還應(yīng)注意，LC網(wǎng)絡(luò)在直流條件下也會(huì)發(fā)生損耗。記住要在ADC的電源引腳上測量直流電源，以便補(bǔ)償該損耗。例如，5V電源經(jīng)過LC網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)板上可能只有4.8V。要補(bǔ)償該損耗，只需升高電源電壓即可。

PSMR的測量方式基本上與PSRR相同。不過在測量PSMR時(shí)，需將一個(gè)模擬輸入頻率施加于測試設(shè)置，如圖7所示。

圖7.典型的PSMR測試設(shè)置

另一個(gè)差別是僅在低頻施加調(diào)制或誤差信號(hào)，目的是查看此信號(hào)與施加于轉(zhuǎn)換器的模擬輸入頻率的混頻效應(yīng)。關(guān)于這種測試，通常使用1kHz至100kHz頻率。只要能在基頻周圍看到誤差信號(hào)即混頻結(jié)果，則說明誤差信號(hào)的幅度可以保持相對恒定。但也不妨改變所施加的調(diào)制誤差信號(hào)幅度，以便進(jìn)行檢查，確保此值恒定。為了獲得最終結(jié)果，最高(最差)調(diào)制雜散相關(guān)于基頻的幅度之差將決定PSMR規(guī)格。圖8所示為實(shí)測PSMRFFT頻譜的示例。

圖8.PSMR部分FFT頻譜示例

電源噪聲分析

關(guān)于轉(zhuǎn)換器和最終的系統(tǒng)而言，必須確保任意給定輸入上的噪聲不會(huì)影響性能。前面已經(jīng)介紹了PSRR和PSMR及其重要意義，下面將通過一個(gè)示例說明如何應(yīng)用所測得的數(shù)值。該示例將有助于設(shè)計(jì)人員明白，為了了解電源噪聲并滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)當(dāng)注意哪些方面以及如何正確設(shè)計(jì)。

首先，選擇轉(zhuǎn)換器，然后選擇調(diào)節(jié)器、LDO、開關(guān)調(diào)節(jié)器等。并非所有調(diào)節(jié)器都適用。應(yīng)當(dāng)查看調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)手冊中的噪聲和紋波指標(biāo)，以及開關(guān)頻率(假如使用開關(guān)調(diào)節(jié)器)。典型調(diào)節(jié)器在100kHz帶寬內(nèi)可能具有10Vrms噪聲。假設(shè)該噪聲為白噪聲，則它在目標(biāo)頻段內(nèi)相當(dāng)于31.6nVrms/radicHz的噪聲密度。

接著檢查轉(zhuǎn)換器的電源抑制指標(biāo)，了解轉(zhuǎn)換器的性能何時(shí)會(huì)因?yàn)殡娫丛肼暥陆?。在第一奈奎斯特區(qū)fS/2，大多數(shù)高速轉(zhuǎn)換器的PSRR典型值為60dB(1mV/V)。假如數(shù)據(jù)手冊未給出該值，請按照前述方法進(jìn)行測量，或者詢問廠家。

使用一個(gè)2Vp-p滿量程輸入范圍、78dBSNR和125MSPS采樣速率的16位ADC，其噪底為11.26nVrms。任何來源的噪聲都必須低于此值，以防其影響轉(zhuǎn)換器。在第一奈奎斯特區(qū)，轉(zhuǎn)換器噪聲將是89.02Vrms(11.26nVrms/radicHz)radic(125MHz/2)。雖然調(diào)節(jié)器的噪聲(31.6nv/radicHz)是轉(zhuǎn)換器的兩倍以上，但轉(zhuǎn)換器有60dB的PSRR，它會(huì)將開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲抑制到31.6pV/radicHz(31.6nV/radicHz1mV/V)。這一噪聲比轉(zhuǎn)換器的噪底小得多，因此調(diào)節(jié)器的噪聲不會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的性能。

電源濾波、接地和布局同樣重要。在ADC電源引腳上新增0.1F電容可使噪聲低于前述計(jì)算值。請記住，某些電源引腳吸取的電流較多，或者比其他電源引腳更敏感。因此應(yīng)當(dāng)慎用去耦電容，但要注意某些電源引腳可能要額外的去耦電容。在電源輸出端新增一個(gè)簡單的LC濾波器也有助于降低噪聲。不過，當(dāng)使用開關(guān)調(diào)節(jié)器時(shí)，級聯(lián)濾波器能將噪聲抑制到更低水平。要記住的是，每新增一級增益就會(huì)每10倍頻程新增大約20dB。

最后要注意的一點(diǎn)是，這種分析僅針對單個(gè)轉(zhuǎn)換器而言。假如系統(tǒng)涉及到多個(gè)轉(zhuǎn)換器或通道，噪聲分析將有所不同。例如，超聲系統(tǒng)采用許多ADC通道，這些通道以數(shù)字方式求和來提高動(dòng)態(tài)范圍?；径裕ǖ罃?shù)量每新增一倍，轉(zhuǎn)換器/系統(tǒng)的噪底就會(huì)降低3dB。關(guān)于上例，假如使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的噪底將變?yōu)橐话?3dB)；假如使用四個(gè)轉(zhuǎn)換器，噪底將變?yōu)?dB。之所以如此，是因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)作不相關(guān)的噪聲源來對待。不相關(guān)噪聲源彼此之間是獨(dú)立的，因此可以進(jìn)行RSS(平方和的平方根)計(jì)算。最終，隨著通道數(shù)量新增，系統(tǒng)的噪底降低，系統(tǒng)將變得更敏感，對電源的設(shè)計(jì)約束條件也更嚴(yán)格。

結(jié)論

要想消除應(yīng)用中的所有電源噪聲是不可能的。任何系統(tǒng)都不可能完全不受電源噪聲的影響。因此，作為ADC的用戶，設(shè)計(jì)人員必須在電源設(shè)計(jì)和布局布線階段就做好積極應(yīng)對。下面是一些有用的提示，可幫助設(shè)計(jì)人員最大程度地提高PCB對電源變化的抗擾度：

對到達(dá)系統(tǒng)板的所有電源軌和總線電壓去耦。

記?。好啃略鲆患壴鲆婢蜁?huì)每10倍頻程新增大約20dB。

假如電源引線較長并為特定IC、器件和/或區(qū)域供電，則應(yīng)再次去耦。

對高頻和低頻都要去耦。

去耦電容接地前的電源入口點(diǎn)常常使用串聯(lián)鐵氧體磁珠。對進(jìn)入系統(tǒng)板的每個(gè)電源電壓都要這樣做，無論它是來自LDO還是來自開關(guān)調(diào)節(jié)器。

關(guān)于加入的電容，應(yīng)使用緊密疊置的電源和接地層(間距l(xiāng)e4密爾)，從而使PCB設(shè)計(jì)本身具備高頻去耦能力。

同任何良好的電路板布局相同，電源應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬電路，如ADC的前端級和時(shí)鐘電路等。

良好的電路分割至關(guān)重要，可以將一些元件放在PCB的背面以增強(qiáng)隔離。

注意接地返回路徑，特別是數(shù)字側(cè)，確保數(shù)字瞬變不會(huì)返回到電路板的模擬部分。某些情況下，分離接地層也可能有用。

將模擬和數(shù)字參考元件保持在各自的層面上。這一常規(guī)做法可增強(qiáng)對噪聲和耦合交互作用的隔離。

遵循IC制造商的建議；假如應(yīng)用筆記或數(shù)據(jù)手冊沒有直接說明，則應(yīng)研究評估板。這些都是非常好的起步工具。

這篇技術(shù)文章旨在清楚說明高速轉(zhuǎn)換器的電源敏感問題，以及它為何對用戶的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍如此重要。為使系統(tǒng)板上的ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊所述的性能規(guī)格，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)了解所需的布局布線技術(shù)和硬件。

參考電路

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DesigningwithSwitchingRegulatorsinHighSpeedA/DConverterApplications.ADIWebinar.June2009.

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CircuitNoteCN-0137,PoweringtheAD9268DualChannel,16-bit,125MSPSAnalog-to-DigitalConverterwiththeADP2114SynchronousStep-DownDC-to-DCRegulatorforIncreasedEfficiency.www.analog.com/CN0137