深入了解ADC，大佬帶你看高速ADC電源設(shè)計(jì) · 下篇

ADC在實(shí)際應(yīng)用中，具有重要地位。很多電子專業(yè)的朋友，都在積極學(xué)習(xí)ADC相關(guān)知識(shí)。上篇ADC相關(guān)文章中，小編為大家?guī)砹烁咚貯DC電源設(shè)計(jì)的上篇內(nèi)容。本文中，小編將戳高速ADC電源設(shè)計(jì)的下篇內(nèi)容予以介紹。如果你對(duì)ADC具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、電源測試

圖6所示為在系統(tǒng)板上測量ADC PSRR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–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。

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，5 V電源經(jīng)過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。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PSMR FFT頻譜的示例。

二、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(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 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)行測量，或者詢問廠家。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) &TImes; √(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)字方式求和來提高動(dòng)態(tài)范圍。基本而言，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)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。

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