高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到每秒千兆次采樣(GSPS)水平，并且可用帶寬也相應(yīng)增加。這些性能的改進(jìn)帶來了許多挑戰(zhàn)，其中一項(xiàng)就是對(duì)電源的要求更加復(fù)雜。例如，AD9625是一款2.6 GSPS的ADC，它需要7個(gè)獨(dú)立的電源軌，分為3種電壓：1.3 V、2.5 V和3.3 V。

完整的ADC電源系統(tǒng)必須具有高效率，適合放入空間擁擠的PCB，并且產(chǎn)生的輸出噪聲可與負(fù)載敏感度相匹配。平衡這些要求(通常彼此沖突)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的最主要的參數(shù)優(yōu)化問題。通常，解決這個(gè)問題的辦法是將開關(guān)穩(wěn)壓器(噪聲大但效率高)與低壓差(LDO)后級(jí)穩(wěn)壓器相結(jié)合，這樣效率雖然相對(duì)較低，但是能夠減少電源噪聲。圖1是一個(gè)典型系統(tǒng)的框圖。

遺憾的是，效率與噪聲性能的優(yōu)化通常會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。圖2是采用μModule® Silent Switcher®穩(wěn)壓器的替代性電源系統(tǒng)。這一解決方案為ADC提供低噪聲供電，而且比傳統(tǒng)解決方案效率更高。

考慮噪聲因素

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)負(fù)載敏感度進(jìn)行量化考慮，并需要將其與電源噪聲相匹配。通過在電源路徑中使用LDO穩(wěn)壓器，可將電源噪聲降至最低;它既可以作為獨(dú)立穩(wěn)壓器(如圖2所示)，也可作為開關(guān)穩(wěn)壓器的后級(jí)穩(wěn)壓器(如圖1所示)。LDO穩(wěn)壓器能夠抑制輸入電源噪聲，該性能可用電源抑制比(PSRR)來衡量。

使用LDO穩(wěn)壓器改善噪聲性能的代價(jià)是效率較低。LDO穩(wěn)壓器在高降壓比下效率會(huì)降低，因?yàn)樗鼈儽仨氃趯?dǎo)通元件上消耗額外的功率，因此使用LDO穩(wěn)壓器時(shí)，期望能最大程度地減小降壓比以獲得最高效率。這就是為什么它們經(jīng)常被用作后級(jí)穩(wěn)壓器，接在固有噪聲雖大但是效率較高的開關(guān)穩(wěn)壓器后面，這樣就可在LDO穩(wěn)壓器輸入端之前先對(duì)主電源軌進(jìn)行降壓。然而，當(dāng)它們被用作后級(jí)穩(wěn)壓器時(shí)，需要額外的裕量以最大化LDO穩(wěn)壓器的PSRR性能，這進(jìn)一步降低了電源的整體效率，尤其是在較重負(fù)載時(shí)。

圖1.采用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器的GSPS ADC基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)(傳統(tǒng)設(shè)計(jì))。

圖2.傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO電源系統(tǒng)(如圖1所示)的替代方案。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)LTM8065 µModule Silent Switcher穩(wěn)壓器直接為AD9625供電。這種設(shè)計(jì)噪聲低、更緊湊、更高效(未經(jīng)濾波的LTM8065設(shè)計(jì))。

考慮簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和尺寸因素

傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器加LDO的系統(tǒng)通常采用分立元件實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致PCB尺寸大且設(shè)計(jì)復(fù)雜，這違背了小尺寸和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。相比之下，可采用μModule穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，因?yàn)樵谄浞庋b內(nèi)已集成了關(guān)鍵的穩(wěn)壓器元件，尤其是尺寸相對(duì)較大的電感，從而使解決方案的PCB非常緊湊。

此外，μModule穩(wěn)壓器通常能夠處理足夠大的負(fù)載，使設(shè)計(jì)人員能夠在單個(gè)μModule輸出上組合多個(gè)相同電壓的電源軌。大電流能力使得在現(xiàn)有基于μModule穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中添加電源軌成為可能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)修改，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

此處顯示的基于μModule穩(wěn)壓器的解決方案非常高效且緊湊，很適合于12位2.6 GSPS的高性能ADC AD9625。由Power by Linear™ Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器LTM8065供電。Silent Switcher技術(shù)幾乎消除了不可預(yù)測(cè)且難以濾波的高頻噪聲，而且可采用與ADC敏感度敏感度完全匹配的電源。

為了將μModule穩(wěn)壓器解決方案與傳統(tǒng)電源配置進(jìn)行測(cè)試比較，采用2.5 A降壓型μModule穩(wěn)壓器LTM8065為AD9625的1.3 V和2.5 V電源軌供電。對(duì)LTC電源模塊兩個(gè)軌上的ADC電源噪聲敏感度和輸出頻譜都進(jìn)行了檢測(cè)。

傳統(tǒng)的AD9625 ADC基準(zhǔn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3是傳統(tǒng)推薦用于AD9625 2.6 GSPS ADC電源配置的部分原理圖。圖3中僅顯示了2.5 V電源軌，它可代表每個(gè)電源軌的典型電流要求。在完整的電源中，7個(gè)不同的電源域分為3路電壓：1.3 V、2.5 V和3.3 V。圖1中的框圖是完整電源的概要。

在此系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器是兩個(gè)帶LC濾波器的20 V/6 A降壓型轉(zhuǎn)換器ADP2386，它們作為3.6 V和2.1 V中間電壓的前級(jí)穩(wěn)壓器。圖3所示為3.6 V輸出穩(wěn)壓器。這些中間電壓在ADC的每個(gè)調(diào)節(jié)輸入軌上由LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步降壓。LDO穩(wěn)壓器為ADC提供調(diào)節(jié)電壓，可有效減少開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波。

圖3.原理圖顯示為AD9625供電的3個(gè)2.5 V電源軌，采用傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO系統(tǒng)。另外4個(gè)電源軌沒有在這里顯示，但在圖1的框圖中有顯示。

傳統(tǒng)的基準(zhǔn)系統(tǒng)成功生成了穩(wěn)定調(diào)節(jié)的低噪聲輸出，但其代價(jià)是復(fù)雜性增加。在電路板上放入眾多元件會(huì)很困難，并且LDO的效率在最大負(fù)載時(shí)會(huì)受到影響，還可能會(huì)產(chǎn)生熱問題。有沒有更好的辦法?有。

LTM8065 μModule穩(wěn)壓器直接為AD9625 ADC的1.3 V和2.5 V電壓軌供電

圖4是基于圖2框圖的替代性電源解決方案的完整原理圖。該系統(tǒng)由兩個(gè)LTM8065 μModule穩(wěn)壓器和一個(gè)ADP7118 LDO穩(wěn)壓器組成。LTM8065是一款40 V輸入、2.5 A Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器，采用耐熱增強(qiáng)的緊湊式過壓成型球柵陣列封裝(BGA)封裝。該模塊中包含一個(gè)開關(guān)控制器、一個(gè)電感和其他支持元件。LTM8065支持0.97 V至18 V的輸出電壓范圍和200 kHz至3 MHz的開關(guān)頻率范圍，輸出電壓由單個(gè)外部電阻設(shè)置。僅需添加輸入和輸出濾波電容便可構(gòu)成完整的穩(wěn)壓器。

圖4.傳統(tǒng)ADC電源系統(tǒng)的替代方案。這款完整的七電源軌解決方案可為AD9625 2.6 GSPS ADC供電。請(qǐng)注意，完整的原理圖與圖2框圖沒有太大區(qū)別。

在這個(gè)解決方案中，LTM8065直接為1.3 V電源軌和2.5 V電源供電。3.3 V電源軌直接由ADP7118低噪聲LDO從12 V電源調(diào)節(jié)供電。3.3 V軌電流小于1 mA，因此LDO穩(wěn)壓器上的功耗可忽略不計(jì)。

關(guān)于負(fù)載對(duì)電源噪聲的敏感度因素

ADC的電源敏感度是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要考慮因素。通過測(cè)量ADC本身的PSRR或從數(shù)據(jù)手冊(cè)中檢索PSRR，可以確定電源噪聲敏感度。有兩種類型的PSRR：靜態(tài)PSRR和動(dòng)態(tài)(交流)PSRR。靜態(tài)PSRR指電源電壓變化與由此產(chǎn)生的ADC失調(diào)誤差變化之比值。這并不是主要的關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)镈C-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)該會(huì)為負(fù)載提供穩(wěn)定調(diào)節(jié)的電壓。而另一方面，動(dòng)態(tài)(交流)PSRR是電源設(shè)計(jì)人員關(guān)注的指標(biāo)，因?yàn)樗�表示ADC在一定頻率范圍內(nèi)對(duì)電源引腳上的噪聲進(jìn)行衰減的能力。

ADC的交流PSRR可通過在電源引腳上注入正弦波信號(hào)的同時(shí)，直接在被測(cè)電源引腳上測(cè)量注入的正弦波信號(hào)幅度(探測(cè)靠近電源引腳的去耦電容)而獲得。數(shù)字化雜散出現(xiàn)在相應(yīng)頻率的ADC的FFT噪底上。在ADC FFT頻譜上測(cè)量的注入信號(hào)幅度與相應(yīng)數(shù)字化雜散幅度之比是電源抑制比。圖5是一個(gè)典型的交流PSRR測(cè)量配置的框圖。

圖5.ADC PSRR測(cè)試設(shè)置。

使用AD9625 2.6 GSPS ADC，在1.3 V模擬電源軌上有源耦合1 MHz、100 mV峰峰值正弦波。在ADC的FFT噪底上出現(xiàn)相應(yīng)的1 MHz數(shù)字化雜散，其幅度取決于1 MHz處的PSRR。在這種情況下，在FFT中，1 MHz數(shù)字化雜散出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器噪底之上，為-61.8 dBFS，對(duì)應(yīng)的峰峰值電壓為892μV p-p ，參考模擬輸入滿量程范圍1.1 V。

Calculating the ac PSRR at 1 MHz using equation 1 yields an ac PSRR of 41 dB.

使用公式1計(jì)算1 MHz的交流PSRR，得到交流PSRR為41 dB。

其中：

數(shù)字化雜散是ADC FFT中觀察到的雜散，與電源引腳上的注入紋波相對(duì)應(yīng)。本例中，雜散為892µV p–p.。

注入紋波是在輸入電源引腳處耦合并測(cè)量的正弦波。這里的紋波幅度為100 mV p-p。

附帶LC濾波器的LTM8065 μModule穩(wěn)壓器為AD9625 ADC供電，提供1.3 V電源軌

圖6顯示，與2.5 V AVDD軌相比，1.3 V AVDD軌更容易受到電源噪聲的影響——特別是在LTM8065的開關(guān)頻率范圍(200 kHz至3 MHz)內(nèi)。圖7是也是一個(gè)LTM8065解決方案，但它增加了一個(gè)低通LC(電感-電容)濾波器，用于1.3 V電源軌組合。

圖6.AD9625模擬電源輸入的電源抑制比。

圖7.在1.3 V電源軌添加LC濾波器，以進(jìn)一步降低噪聲。

低通LC濾波器的元件推薦取決于需要的濾波量。對(duì)于1.3 V電壓軌而言，至少需要20 dB濾波才能將開關(guān)電壓降低到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪底。截止頻率約為67 kHz時(shí)使用1.2μH和4.7μF的LC組合(比LTM8065的1.3 V電源軌的開關(guān)頻率低大約1個(gè)10倍頻程)。建議使用直流電阻(DCR)小的電感，以防止電感上出現(xiàn)過大的壓降和功耗。

至于電容，可以使用多層陶瓷電容(MLCC)。MLCC具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)，可在電容自諧振時(shí)提供良好的衰減性能。電容的最小阻抗由其ESR決定。MLCC還具有低等效串聯(lián)電感(ESL)，可在高頻下提供出色的去耦性能。

鐵氧體磁珠用于過濾ADC電源軌上的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的高頻噪聲。這些磁珠還為每個(gè)組合軌提供高頻噪聲隔離。流過磁珠的推薦電流應(yīng)為鐵氧體磁珠直流電流額定值的30%左右，以防止磁芯飽和，從而降低磁珠的有效阻抗和EMI濾波性能。具有低直流電阻的鐵氧體磁珠可最大限度地降低磁珠上的壓降和功耗，尤其是在高電流電壓軌(如AVDD 1.3 V)上。

評(píng)估結(jié)果

此處顯示的三種電源配置通過具有262k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的快速傅立葉變換(FFT)獲取的結(jié)果，對(duì)AD9625的信噪比(SNR)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)進(jìn)行比較。第一個(gè)配置是傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電源(如圖1所示)。第二個(gè)配置是不帶濾波的LTM8065(如圖2所示)。第三個(gè)配置是帶有LC濾波器的LTM8065提供1.3 V電壓軌(如圖7所示)。兩個(gè)基于LTM8065的解決方案均支持?jǐn)U頻調(diào)制。

表1顯示了AD9625在由三種電源配置供電時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。使用了兩種不同的ADC模擬輸入載波頻率(729 MHz和1349 MHz)。當(dāng)由兩個(gè)基于LTM8065的電源供電時(shí)，ADC的SNR和SFDR結(jié)果與基準(zhǔn)電源的結(jié)果相當(dāng)。數(shù)據(jù)表明，LTM8065無需使用額外的LDO穩(wěn)壓器即可直接為AD9625供電，大大簡(jiǎn)化了整體解決方案。

表1.AD9625 2.6 GHz動(dòng)態(tài)性能

仔細(xì)檢查1349 MHz附近的頻段，發(fā)現(xiàn)有邊帶雜散，它與LTM8065(用于1.3 V電壓軌)690 kHz開關(guān)頻率(擴(kuò)頻功能)相關(guān)，但調(diào)制幅度遠(yuǎn)小于典型的SFDR規(guī)格(如圖8a所示)。然而，最好能消除這些邊帶雜散(如圖8b所示)，因此建議在LTM8065解決方案中添加LC濾波器。

圖8.使用兩個(gè)不同的電源系統(tǒng)：基于μModule穩(wěn)壓器的電源系統(tǒng)，一個(gè)不帶LC濾波器(a)而另一個(gè)附帶LC濾波器(b)，通過比較AD9625的FFT結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)LC濾波器對(duì)1349 MHz載波頻率附近的調(diào)制雜散的影響。

在LC濾波器部分之前和之后探測(cè)到的頻譜輸出如圖9所示，它表明噪聲濾波性能的改進(jìn)高達(dá)25 dB。

圖9.LTM8065在1.3 V電壓軌上的頻譜成分(啟用SSFM)。

擴(kuò)頻調(diào)頻(SSFM)通過在從編程值直至高出該值約20%的范圍內(nèi)連續(xù)改變開關(guān)頻率，降低了轉(zhuǎn)換器基波工作頻率下紋波的峰值幅度。SSFM在需要低峰值EMI/低紋波幅度的系統(tǒng)中最為有用。SSFM的優(yōu)勢(shì)如圖10所示，它顯示了啟用了SSFM和關(guān)閉SSFM時(shí)LTM8065 1.3 V輸出的頻譜成分�；�波頻率處的紋波峰值幅度降低約為10 dB至12 dB，并且諧波峰值明顯降低。

圖10.SSFM啟用和關(guān)閉時(shí)的LTM8065 1.3 V電源軌的頻譜成分。

使用LTM8065直接為1.3 V電源軌供電(擴(kuò)頻關(guān)閉)會(huì)產(chǎn)生較高調(diào)制峰值，從而發(fā)生二次諧波失真(如圖11所示)。

圖11.SSFM禁用時(shí)LTM8065 1.3 V電源軌的1349 MHz模擬輸入載波的詳細(xì)信息。

測(cè)得的系統(tǒng)效率

基準(zhǔn)電源和帶LC濾波器的LTM8065系統(tǒng)之間的效率比較如圖12所示。LTM8065電源解決方案的效率提高30%。

圖12.基線電源設(shè)計(jì)與基于LTM8065的系統(tǒng)(版本2)之間的效率比較。

PCB尺寸比較

為了說明μModule穩(wěn)壓器解決方案的尺寸優(yōu)勢(shì)，我們?cè)赑CB上實(shí)現(xiàn)帶LC濾波器、基于LTM8065的解決方案。將其電源部分的面積與現(xiàn)成的EVAL-AD9625評(píng)估板(使用基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì))的電源部分進(jìn)行比較。

圖13顯示了EVAL-AD9625標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板(基準(zhǔn)電源)和修訂版的AD9625評(píng)估板(帶LC濾波器的LTM8065 μModule穩(wěn)壓器)的比較。使用LTM8065的電源解決方案的元件幾乎全部都位于PCB的正面，而現(xiàn)成EVAL-AD9625評(píng)估板的為分立解決方案，其電源元件則需分布在正面(LDO穩(wěn)壓器)和背面(開關(guān)穩(wěn)壓器)兩邊�；�于LTM8065的解決方案可減少70%以上的電源占位尺寸。

圖13.使用μModule Silent Switcher穩(wěn)壓器替代傳統(tǒng)的控制器/穩(wěn)壓器時(shí)，電源所需的面積大大減少。將(a)使用LTM8065的AD9625修訂版演示板與(b)現(xiàn)成的AD9625評(píng)估板進(jìn)行比較。兩個(gè)系統(tǒng)的電源部分都均已突出顯示。

表2比較了基于LTM8065的系統(tǒng)和基準(zhǔn)電源系統(tǒng)的元件總數(shù)和元件占位尺寸。LTM8065解決方案使用的元件總數(shù)減少一半以上，占位尺寸只有一半左右。

表2.不同方案的電源部分元件總數(shù)和占位總面積

結(jié)論

LTM8065 μModule Silent Switcher穩(wěn)壓器可為AD9625 GSPS ADC供電，相比傳統(tǒng)的分立式解決方案改進(jìn)明顯，而且不必犧牲ADC的動(dòng)態(tài)性能。通過使用LTM8065直接為AD9625的1.3 V和2.5 V電源軌供電，可以顯著減少元件數(shù)量和電源板尺寸。

而進(jìn)行一些濾波更有幫助。當(dāng)模擬輸入頻率非常高時(shí)，會(huì)在模擬輸入載波頻率和穩(wěn)壓器輸出紋波頻率之間觀察到調(diào)制效應(yīng)。由于這種調(diào)制效應(yīng)，在模擬輸入載波周圍出現(xiàn)邊帶雜散，并且在模擬輸入頻率較高時(shí)更為明顯。

由于LTM8065穩(wěn)壓器在開關(guān)頻率附近的低電源抑制，1.3 V電壓軌上的噪聲成為調(diào)制效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)�。雖然調(diào)制雜散的幅度不超過無雜散動(dòng)態(tài)范圍規(guī)范，但最好使用簡(jiǎn)單的LC低通濾波器來抑制雜散，以對(duì)輸出紋波進(jìn)行衰減。這樣做可以產(chǎn)生更干凈的數(shù)字化模擬輸入載波，無邊帶調(diào)制。

Module穩(wěn)壓器電源解決方案的系統(tǒng)效率達(dá)到78%，比現(xiàn)有的AD9625演示板提高了約30%。除了更高的效率(從而簡(jiǎn)化了熱管理)之外，得益于LTM8065電源的獨(dú)立集成和緊湊特性，PCB板面積和元件數(shù)量也大大減少。