高速ADC電源設(shè)計(jì)方案

　　當(dāng)今許多應(yīng)用要求高速采樣模數(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(cè)量。遺憾的是，更高的分辨率也意味著系統(tǒng)對(duì)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(duì)噪聲的敏感度就會(huì)提高一倍。因此，對(duì)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是敏感器件，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的最佳額定性能，應(yīng)當(dāng)同等看待模擬、時(shí)鐘和電源等所有輸入端。噪聲來源眾多，形式多樣，噪聲輻射會(huì)影響性能。

　　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(jiǎn)化散熱管理、最大化電源效率并延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。然而，大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)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)進(jìn)步已經(jīng)證明，開關(guān)電源也可以用于通信和醫(yī)療應(yīng)用。

　　本文介紹對(duì)于了解高速ADC電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要的各種測(cè)試測(cè)量方法。為了確定轉(zhuǎn)換器對(duì)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(cè)試十分有用：一般稱為電源抑制比(PSRR)和電源調(diào)制比(PSMR)。

　　何謂電源抑制

　　當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí)，決定ADC性能的因素主要有兩個(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 = 20 × log10 (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(cè)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(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行衰減，將其自身表現(xiàn)為雜散(噪聲)，它會(huì)以某一給定幅度提升至超過轉(zhuǎn)換器的噪聲基底值。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(duì)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，如果電源設(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)換器的任何其它輸入一樣進(jìn)行測(cè)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)換器噪聲基底，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　電源測(cè)試

　　圖1所示為在系統(tǒng)板上測(cè)量ADC PSRR的設(shè)置。分別測(cè)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(cè)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100uF非極化電解質(zhì)電容。采用1mH的電感來充當(dāng)直流電源的交流阻斷器，一般將它稱為“偏置-T”，可以購(gòu)買采用連接器式封裝的產(chǎn)品。

　　使用示波器測(cè)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(cè)ADC的電源引腳上。為簡(jiǎn)化起見，將施加于電源上的交流信號(hào)量定義為一個(gè)與轉(zhuǎn)換器輸入滿量程相關(guān)的值。例如，如果ADC的滿量程為2Vpp，則使用200mVpp或-20dB。接下來讓轉(zhuǎn)換器的輸入端接地(不施加模擬信號(hào))，查找噪聲基底/FFT頻譜中處于測(cè)試頻率的誤差雜散，如圖2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，如果誤差雜散出現(xiàn)在噪聲基底的-80dB處，則PSRR為-80dB - (-20dB)，即-60dB(PSRR = 誤差雜散(dB) - 示波器測(cè)量結(jié)果(dB))。-60dB的值似乎不太正常，但如果換算成電壓，它相當(dāng)于1 mV/V(或10-60/20)，這個(gè)數(shù)字對(duì)于任何轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的PSRR規(guī)格而言都并不鮮見。

　　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(cè)中的大部分?jǐn)?shù)值是典型值，可能只針對(duì)最差工作條件或最差性能的電源。例如，相對(duì)于其它電源，+5 V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，如果說明得不全面，請(qǐng)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。

　　當(dāng)今許多應(yīng)用要求高速采樣模數(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(cè)量。遺憾的是，更高的分辨率也意味著系統(tǒng)對(duì)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(duì)噪聲的敏感度就會(huì)提高一倍。因此，對(duì)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是敏感器件，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的最佳額定性能，應(yīng)當(dāng)同等看待模擬、時(shí)鐘和電源等所有輸入端。噪聲來源眾多，形式多樣，噪聲輻射會(huì)影響性能。

　　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(jiǎn)化散熱管理、最大化電源效率并延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。然而，大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)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)進(jìn)步已經(jīng)證明，開關(guān)電源也可以用于通信和醫(yī)療應(yīng)用。

　　本文介紹對(duì)于了解高速ADC電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要的各種測(cè)試測(cè)量方法。為了確定轉(zhuǎn)換器對(duì)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(cè)試十分有用：一般稱為電源抑制比(PSRR)和電源調(diào)制比(PSMR)。

　　何謂電源抑制

　　當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí)，決定ADC性能的因素主要有兩個(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 = 20 × log10 (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(cè)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(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行衰減，將其自身表現(xiàn)為雜散(噪聲)，它會(huì)以某一給定幅度提升至超過轉(zhuǎn)換器的噪聲基底值。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(duì)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，如果電源設(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)換器的任何其它輸入一樣進(jìn)行測(cè)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)換器噪聲基底，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　電源測(cè)試

　　圖1所示為在系統(tǒng)板上測(cè)量ADC PSRR的設(shè)置。分別測(cè)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(cè)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100uF非極化電解質(zhì)電容。采用1mH的電感來充當(dāng)直流電源的交流阻斷器，一般將它稱為“偏置-T”，可以購(gòu)買采用連接器式封裝的產(chǎn)品。

　　使用示波器測(cè)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(cè)ADC的電源引腳上。為簡(jiǎn)化起見，將施加于電源上的交流信號(hào)量定義為一個(gè)與轉(zhuǎn)換器輸入滿量程相關(guān)的值。例如，如果ADC的滿量程為2Vpp，則使用200mVpp或-20dB。接下來讓轉(zhuǎn)換器的輸入端接地(不施加模擬信號(hào))，查找噪聲基底/FFT頻譜中處于測(cè)試頻率的誤差雜散，如圖2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，如果誤差雜散出現(xiàn)在噪聲基底的-80dB處，則PSRR為-80dB - (-20dB)，即-60dB(PSRR = 誤差雜散(dB) - 示波器測(cè)量結(jié)果(dB))。-60dB的值似乎不太正常，但如果換算成電壓，它相當(dāng)于1 mV/V(或10-60/20)，這個(gè)數(shù)字對(duì)于任何轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的PSRR規(guī)格而言都并不鮮見。

　　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(cè)中的大部分?jǐn)?shù)值是典型值，可能只針對(duì)最差工作條件或最差性能的電源。例如，相對(duì)于其它電源，+5 V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，如果說明得不全面，請(qǐng)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(qǐng)記住，使用LC配置測(cè)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(zhǎng)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)大大增加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(cè)試頻率造成測(cè)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(cè)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(cè)量方式基本上與PSRR相同。不過在測(cè)量PSMR時(shí)，需將一個(gè)模擬輸入頻率施加于測(cè)試設(shè)置，如圖3所示。

　　另一個(gè)區(qū)別是僅在低頻施加調(diào)制或誤差信號(hào)，目的是觀察此信號(hào)與施加于轉(zhuǎn)換器的模擬輸入頻率的混頻效應(yīng)。對(duì)于這種測(cè)試，通常使用1-100kHz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(duì)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)制雜散相對(duì)于基頻的幅度之差將決定PSMR規(guī)格。圖4所示為實(shí)測(cè)PSMR FFT頻譜的示例。

　　電源噪聲分析

　　對(duì)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、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(cè)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)器或其它器件。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(cè)中的噪聲和紋波指標(biāo)，以及開關(guān)頻率(如果使用開關(guān)調(diào)節(jié)器)。典型調(diào)節(jié)器在100 kHz帶寬內(nèi)可能具有10 μV rms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31.6 nVrms/rt-Hz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fs/2的第一奈奎斯特區(qū)，大多數(shù)高速轉(zhuǎn)換器的PSRR典型值為60 dB (1 mV/V)。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)未給出該值，請(qǐng)按照上述方法進(jìn)行測(cè)量，或者詢問廠家。

　　使用一個(gè)2Vpp滿量程輸入范圍、78dB SNR和125MSPS采樣速率的16位ADC，其噪聲基底為11.26 nVrms。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89.02 μV rms (11.26 nVrms/rt-Hz) × sqrt(125MHz/2)。雖然調(diào)節(jié)器的噪聲(31.6 nv/rt-Hz)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31.6 pV/rt-Hz (31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V)。這一噪聲比轉(zhuǎn)換器的噪聲基底小得多，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電源引腳上增加0.1μF電容可使噪聲低于上述計(jì)算值。請(qǐng)記住，某些電源引腳吸取的電流較多，或者比其它電源引腳更敏感。因此應(yīng)當(dāng)慎用去耦電容，但要注意某些電源引腳可能需要額外的去耦電容。在電源輸出端增加一個(gè)簡(jiǎn)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(jí)聯(lián)濾波器能將噪聲抑制到更低水平。需要記住的是，每增加一級(jí)增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20dB。

　　最后需要注意的一點(diǎn)是，上述分析僅針對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)換器而言。如果系統(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。基本原理是：通道數(shù)量每增加一倍，轉(zhuǎn)換器/系統(tǒng)的噪聲基底就會(huì)降低3dB。對(duì)于上例，如果使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的噪聲基底將變?yōu)橐话?-3dB);如果使用四個(gè)轉(zhuǎn)換器，噪聲基底將變?yōu)?6dB。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(duì)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)量增加，系統(tǒng)的噪聲基底降低，系統(tǒng)將變得更敏感，對(duì)電源的設(shè)計(jì)約束條件也更嚴(yán)格。

　　本文小結(jié)

　　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(duì)。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(duì)電源變化的抗擾度：

　　對(duì)到達(dá)系統(tǒng)板的所有電源軌和總線電壓去耦。

　　記?。好吭黾右患?jí)增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20 dB。

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

　　對(duì)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(duì)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。

　　對(duì)于加入的電容，應(yīng)使用緊密疊置的電源和接地層(間距≤4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一樣，電源應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬電路，如ADC的前端級(jí)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(duì)噪聲和耦合交互作用的隔離。

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