如何為其高速ADC設(shè)計(jì)清潔電源？

在現(xiàn)實(shí)生活中，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)。在設(shè)計(jì)人員面臨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)面臨巨大挑戰(zhàn)。在利用高效開(kāi)關(guān)電源而非傳統(tǒng) LDO 的場(chǎng)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(cè)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(duì)一個(gè)實(shí)際電源進(jìn)行的簡(jiǎn)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?，本文將描述一些簡(jiǎn)單的指導(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(cè)量。然而，更高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 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(duì)待，以便如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，實(shí)現(xiàn)最佳性能。噪聲來(lái)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)?！?。具體到便攜式應(yīng)用，它要求降低功耗、簡(jiǎn)化熱管理、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_(kāi)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(kāi)關(guān)電源可以也用于通信和醫(yī)療應(yīng)用(見(jiàn)參考文獻(xiàn) 部分的“How to Test Power Supply Rejection Ratio (PSRR) in an ADC”(如何測(cè)試 ADC 中的電源抑制比(PSRR)))。

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)。

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(duì)噪聲和失真的敏感度可以像時(shí)鐘和模擬輸入引腳一樣敏感。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)提供給理想的 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(duì)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) 40 dB 至 60 dB 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(lái)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(lái)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^(guò)阻性元件偏置的，而該阻性元件后來(lái)又連接到輸出 級(jí)，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(lái)，從而對(duì)局部和 / 鄰近電路造成影響。這正是需要了解并探索轉(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)增加，可用速率也會(huì)提升?？紤]到這一點(diǎn)，這意味著更低的電源和更小的閾值。為此，為什么不把電源節(jié)點(diǎn)當(dāng)作高帶寬輸入呢，就像采樣時(shí)鐘或模擬輸入引腳一樣呢?

何謂電源抑制

當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí)，決定 ADC 性能的因素主要有三個(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 = 20 × log10 (PSRR))來(lái)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(wú)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(guò)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)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(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)換器的任何其他輸入一樣進(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)換器噪底，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

電源測(cè)試

圖 6 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(kāi)始時(shí)使用一個(gè)高容值電容，例如 100 μF 非極化電解質(zhì)電容。電感使用 1 mH，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(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?lè)旁陔娫催M(jìn)入待測(cè) ADC 的電源引腳上。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，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 2V p-p，則使用 200 mV p-p 或–20 dB。接下來(lái)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(cè)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–20 dB 即可。例如，如果誤差雜散出現(xiàn)在噪底的–80 dB 處，則 PSRR 為–80 dB – –20 dB，即–60 dB(PSRR = 誤差雜散(dB) – 示波器測(cè)量結(jié)果(dB))。–60 dB 的值似乎并不大，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(jiàn)。

圖 5. PSRR—FFT 頻譜示例

圖 6. 典型的 PSRR 測(cè)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(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)于其他電源，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(shuō)明，如果說(shuō)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)?LC 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(wèn)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，5 V 電源經(jīng)過(guò) LC 網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)板上可能只有 4.8 V。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(guò)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 7 所示。

圖 7. 典型的 PSMR 測(cè)試設(shè)置

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)。對(duì)于這種測(cè)試，通常使用 1 kHz 至 100 kHz 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(shuō)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 8 所示為實(shí)測(cè) PSMR FFT 頻譜的示例。

圖 8. PSMR—部分 FFT 頻譜示例

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 和 PSMR 及其重要意義，下面將通過(guò)一個(gè)示例說(shuō)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(kāi)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(cè)中的噪聲和紋波指標(biāo)，以及開(kāi)關(guān)頻率(如果使用開(kāi)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 nV rms/√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 60 dB (1 mV/V)。如果數(shù)據(jù)手冊(cè) 未給出該值，請(qǐng)按照前述方法進(jìn)行測(cè)量，或者詢問(wèn)廠家。

使用一個(gè) 2 V p-p 滿量程輸入范圍、78 dB SNR 和 125 MSPS 采樣速率的 16 位 ADC，其噪底為 11.26 nV rms。任何來(lái)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 nV rms/√Hz) × √(125 MHz/2)。雖然調(diào)節(jié)器的噪聲(31.6 nv/√Hz)是轉(zhuǎn)換器的兩倍以上，但轉(zhuǎn)換器有 60 dB 的 PSRR，它會(huì)將開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲抑制到 31.6 pV/√Hz (31.6 nV/√Hz × 1 mV/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 電源引腳上增加 0.1 μF 電容可使噪聲低于前述計(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(guò)，當(dāng)使用開(kāi)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 20 dB。

最后需要注意的一點(diǎn)是，這種分析僅針對(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(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍?；径?，通道數(shù)量每增加一倍，轉(zhuǎn)換器 / 系統(tǒng)的噪底就會(huì)降低 3 dB。對(duì)于上例，如果使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的噪底將變?yōu)橐话??3 dB);如果 使用四個(gè)轉(zhuǎn)換器，噪底將變?yōu)?6 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(lái)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。