高速模數轉換器(ADC)的發(fā)展已經達到每秒千兆次采樣(GSPS)水平，并且可用帶寬也相應增加。這些性能的改進帶來了許多挑戰(zhàn)，其中一項就是對電源的要求更加復雜。例如，AD9625是一款2.6 GSPS的ADC，它需要7個獨立的電源軌，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，并且產生的輸出噪聲可與負載敏感度相匹配。平衡這些要求(通常彼此沖突)是系統(tǒng)設計人員面臨的最主要的參數優(yōu)化問題。通常，解決這個問題的辦法是將開關穩(wěn)壓器(噪聲大但效率高)與低壓差(LDO)后級穩(wěn)壓器相結合，這樣效率雖然相對較低，但是能夠減少電源噪聲。圖1是一個典型系統(tǒng)的框圖。

遺憾的是，效率與噪聲性能的優(yōu)化通常會增加系統(tǒng)的復雜性。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)設計人員必須對負載敏感度進行量化考慮，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;它既可以作為獨立穩(wěn)壓器(如圖2所示)，也可作為開關穩(wěn)壓器的后級穩(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是效率較低。LDO穩(wěn)壓器在高降壓比下效率會降低，因為它們必須在導通元件上消耗額外的功率，因此使用LDO穩(wěn)壓器時，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常被用作后級穩(wěn)壓器，接在固有噪聲雖大但是效率較高的開關穩(wěn)壓器后面，這樣就可在LDO穩(wěn)壓器輸入端之前先對主電源軌進行降壓。然而，當它們被用作后級穩(wěn)壓器時，需要額外的裕量以最大化LDO穩(wěn)壓器的PSRR性能，這進一步降低了電源的整體效率，尤其是在較重負載時。

圖1.采用開關穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器的GSPS ADC基準電源設計(傳統(tǒng)設計)。

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

考慮簡化設計和尺寸因素

傳統(tǒng)開關穩(wěn)壓器加LDO的系統(tǒng)通常采用分立元件實現，導致PCB尺寸大且設計復雜，這違背了小尺寸和簡化設計的目標。相比之下，可采用μModule穩(wěn)壓器來實現這些目標，因為在其封裝內已集成了關鍵的穩(wěn)壓器元件，尤其是尺寸相對較大的電感，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載，使設計人員能夠在單個μModule輸出上組合多個相同電壓的電源軌。大電流能力使得在現有基于μModule穩(wěn)壓器設計中添加電源軌成為可能，簡化設計修改，從而縮短產品上市時間。

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技術幾乎消除了不可預測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)電源配置進行測試比較，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LTC電源模塊兩個軌上的ADC電源噪聲敏感度和輸出頻譜都進行了檢測。

傳統(tǒng)的AD9625 ADC基準電源系統(tǒng)設計

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，它可代表每個電源軌的典型電流要求。在完整的電源中，7個不同的電源域分為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，開關穩(wěn)壓器是兩個帶LC濾波器的20 V/6 A降壓型轉換器ADP2386，它們作為3.6 V和2.1 V中間電壓的前級穩(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的每個調節(jié)輸入軌上由LDO穩(wěn)壓器進一步降壓。LDO穩(wěn)壓器為ADC提供調節(jié)電壓，可有效減少開關穩(wěn)壓器的輸出紋波。

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

傳統(tǒng)的基準系統(tǒng)成功生成了穩(wěn)定調節(jié)的低噪聲輸出，但其代價是復雜性增加。在電路板上放入眾多元件會很困難，并且LDO的效率在最大負載時會受到影響，還可能會產生熱問題。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LTM8065 μModule穩(wěn)壓器和一個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。該模塊中包含一個開關控制器、一個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的開關頻率范圍，輸出電壓由單個外部電阻設置。僅需添加輸入和輸出濾波電容便可構成完整的穩(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。請注意，完整的原理圖與圖2框圖沒有太大區(qū)別。

在這個解決方案中，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。

關于負載對電源噪聲的敏感度因素

ADC的電源敏感度是電源系統(tǒng)設計的首要考慮因素。通過測量ADC本身的PSRR或從數據手冊中檢索PSRR，可以確定電源噪聲敏感度。有兩種類型的PSRR：靜態(tài)PSRR和動態(tài)(交流)PSRR。靜態(tài)PSRR指電源電壓變化與由此產生的ADC失調誤差變化之比值。這并不是主要的關注點，因為DC-DC轉換器應該會為負載提供穩(wěn)定調節(jié)的電壓。而另一方面，動態(tài)(交流)PSRR是電源設計人員關注的指標，因為它表示ADC在一定頻率范圍內對電源引腳上的噪聲進行衰減的能力。

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

圖5.ADC PSRR測試設置。

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噪底上出現相應的1 MHz數字化雜散，其幅度取決于1 MHz處的PSRR。在這種情況下，在FFT中，1 MHz數字化雜散出現在轉換器噪底之上，為-61.8 dBFS，對應的峰峰值電壓為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計算1 MHz的交流PSRR，得到交流PSRR為41 dB。

其中：

數字化雜散是ADC FFT中觀察到的雜散，與電源引腳上的注入紋波相對應。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的開關頻率范圍(200 kHz至3 MHz)內。圖7是也是一個LTM8065解決方案，但它增加了一個低通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。對于1.3 V電壓軌而言，至少需要20 dB濾波才能將開關電壓降低到數據轉換器的噪底。截止頻率約為67 kHz時使用1.2μH和4.7μF的LC組合(比LTM8065的1.3 V電源軌的開關頻率低大約1個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具有低等效串聯電阻(ESR)，可在電容自諧振時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電源軌上的開關穩(wěn)壓器產生的高頻噪聲。這些磁珠還為每個組合軌提供高頻噪聲隔離。流過磁珠的推薦電流應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。

評估結果

此處顯示的三種電源配置通過具有262k個數據點的快速傅立葉變換(FFT)獲取的結果，對AD9625的信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)進行比較。第一個配置是傳統(tǒng)的基準電源(如圖1所示)。第二個配置是不帶濾波的LTM8065(如圖2所示)。第三個配置是帶有LC濾波器的LTM8065提供1.3 V電壓軌(如圖7所示)。兩個基于LTM8065的解決方案均支持擴頻調制。

表1顯示了AD9625在由三種電源配置供電時的動態(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)。當由兩個基于LTM8065的電源供電時，ADC的SNR和SFDR結果與基準電源的結果相當。數據表明，LTM8065無需使用額外的LDO穩(wěn)壓器即可直接為AD9625供電，大大簡化了整體解決方案。

表1.AD9625 2.6 GHz動態(tài)性能

仔細檢查1349 MHz附近的頻段，發(fā)現有邊帶雜散，它與LTM8065(用于1.3 V電壓軌)690 kHz開關頻率(擴頻功能)相關，但調制幅度遠小于典型的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.使用兩個不同的電源系統(tǒng)：基于μModule穩(wěn)壓器的電源系統(tǒng)，一個不帶LC濾波器(a)而另一個附帶LC濾波器(b)，通過比較AD9625的FFT結果，可以發(fā)現LC濾波器對1349 MHz載波頻率附近的調制雜散的影響。

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

圖9.LTM8065在1.3 V電壓軌上的頻譜成分(啟用SSFM)。

擴頻調頻(SSFM)通過在從編程值直至高出該值約20%的范圍內連續(xù)改變開關頻率，降低了轉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)勢如圖10所示，它顯示了啟用了SSFM和關閉SSFM時LTM8065 1.3 V輸出的頻譜成分。基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啟用和關閉時的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(擴頻關閉)會產生較高調制峰值，從而發(fā)生二次諧波失真(如圖11所示)。

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

測得的系統(tǒng)效率

基準電源和帶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.基線電源設計與基于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，我們在PCB上實現帶LC濾波器、基于LTM8065的解決方案。將其電源部分的面積與現成的EVAL-AD9625評估板(使用基準電源設計)的電源部分進行比較。

圖13顯示了EVAL-AD9625標準評估板(基準電源)和修訂版的AD9625評估板(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，而現成EVAL-AD9625評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，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)現成的AD9625評估板進行比較。兩個系統(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)和基準電源系統(tǒng)的元件總數和元件占位尺寸。LTM8065解決方案使用的元件總數減少一半以上，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和占位總面積

結論

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明顯，而且不必犧牲ADC的動態(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量和電源板尺寸。

而進行一些濾波更有幫助。當模擬輸入頻率非常高時，會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制效應。由于這種調制效應，在模擬輸入載波周圍出現邊帶雜散，并且在模擬輸入頻率較高時更為明顯。

由于LTM8065穩(wěn)壓器在開關頻率附近的低電源抑制，1.3 V電壓軌上的噪聲成為調制效應的罪魁禍首。雖然調制雜散的幅度不超過無雜散動態(tài)范圍規(guī)范，但最好使用簡單的LC低通濾波器來抑制雜散，以對輸出紋波進行衰減。這樣做可以產生更干凈的數字化模擬輸入載波，無邊帶調制。

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