【導(dǎo)讀】如今，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)。在利用高效開關(guān)電源而非傳統(tǒng)LDO的場合，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)。我們將對一個(gè)實(shí)際電源進(jìn)行的簡單噪聲分析，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。總之，本文將描述一些簡單的指導(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)測量。然而，更高分辨率也意味著系統(tǒng)對噪聲更加敏感。系統(tǒng)分辨率每提高一位，例如從12位提高到13位，系統(tǒng)對噪聲的敏感度就會(huì)提高一倍。因此，對于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)平等對待，以便如數(shù)據(jù)手冊所述，實(shí)現(xiàn)最佳性能。噪聲來源眾多，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)保”。具體到便攜式應(yīng)用，它要求降低功耗、簡化熱管理、最大化電源效率并延長電池使用時(shí)間。然而，大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊建議使用線性電源，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)發(fā)展證明，開關(guān)電源可以也用于通信和醫(yī)療應(yīng)用(見參考文獻(xiàn) 部分的“How to Test Power Supply Rejection Ratio (PSRR) in an ADC”(如何測試ADC中的電源抑制比(PSRR)))。
本文介紹對于了解高速ADC電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要的各種測試測量方法。為了確定轉(zhuǎn)換器對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)上都是與信號路徑相隔離的(呈阻性)，從而帶來大量衰減，柵極引腳或信號路徑則不是這樣。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^阻性元件偏置的，而該阻性元件后來又連接到輸出 級，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，從而對局部和/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。考慮到這一點(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，然后測試電源抑制性能(PSRR-ac)，從而主動(dòng)通過轉(zhuǎn)換器電路耦合信號(噪聲源)。這種方法本質(zhì)上是對轉(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)影響信號或加入到信號中。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進(jìn)行調(diào)制時(shí)，轉(zhuǎn)換器對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)， 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)字對于任何轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中的PSRR規(guī)格而言都并不鮮見。
圖5. PSRR—FFT頻譜示例
圖6. 典型的PSRR測試設(shè)置
下一步是改變交流信號的頻率和幅度，以便確定ADC在系統(tǒng)板中的PSRR特性。數(shù)據(jù)手冊中的大部分?jǐn)?shù)值是典型值，可能只針對最差工作條件或最差性能的電源。例如，相對于其他電源，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。
圖7. 典型的PSMR測試設(shè)置
另一個(gè)區(qū)別是僅在低頻施加調(diào)制或誤差信號，目的是查看此信號與施加于轉(zhuǎn)換器的模擬輸入頻率的混頻效應(yīng)。對于這種測試，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即混頻結(jié)果，則說明誤差信號的幅度可以保持相對恒定。但也不妨改變所施加的調(diào)制誤差信號幅度，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。
圖8. PSMR—部分FFT頻譜示例
電源噪聲分析
對于轉(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)殡娫丛肼暥陆怠Ｔ诘谝荒慰固貐^(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 未給出該值，請按照前述方法進(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) × √(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)?minus;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，對電源的設(shè)計(jì)約束條件也更嚴(yán)格。
結(jié)論
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。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對電源變化的抗擾度：
對到達(dá)系統(tǒng)板的所有電源軌和總線電壓去耦。
記住：每增加一級增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20 dB。
如果電源引線較長并為特定IC、器件和/或區(qū)域供電，則應(yīng)再次去耦。
對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)手冊沒有直接說明，則應(yīng)研究評估板。這些都是非常好的起步工具。
這篇技術(shù)文章旨在清楚說明高速轉(zhuǎn)換器的電源敏感問題，以及它為何對用戶的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍如此重要。為使系統(tǒng)板上的ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊所述的性能規(guī)格，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)了解所需的布局布線技術(shù)和硬件。
參考電路
“How to Test Power Supply Rejection Ratio (PSRR) in an ADC”. EETimes. July 2003.
“Designing with Switching Regulators in High Speed A/D Converter Applications”. ADI Webinar. June 2009.
Motchenbacher, C.D. and J.A. Connelly. 1993. Low-Noise Electronic System Design. Wiley.
Circuit Note CN-0135, Powering the AD9272 Octal Ultrasound ADC/LNA/VGA/AAF with the ADP5020 Switching Regulator PMU for Increased Efficiency. www.analog.com/CN0135
Circuit Note CN-0137, Powering the AD9268 Dual Channel, 16-bit, 125 MSPS Analog-to-Digital Converter with the ADP2114 Synchronous Step-Down DC-to-DC Regulator for Increased Efficiency. www.analog.com/CN0137
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