為使高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最高性能,，必須為其提供干凈的直流電源。高噪聲電源會導(dǎo)致信噪比（SNR）下降和/或ADC輸出中出現(xiàn)不良的雜散成分,。本文將介紹有關(guān)ADC電源域和靈敏度的背景知識,，并討論為高速ADC供電的基本原則,。
模擬電源和數(shù)字電源
當今的大部分高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少都有兩個電源域：模擬電源（AVDD）和數(shù)字與輸出驅(qū)動器電源（DRVDD）。一些轉(zhuǎn)換器還有一個附加模擬電源,，通常應(yīng)作為本文所討論的額外AVDD電源來處理,。轉(zhuǎn)換器的模擬電源和數(shù)字電源是分離的，以防數(shù)字開關(guān)噪聲（特別是輸出驅(qū)動器產(chǎn)生的噪聲）干擾器件模擬端的模擬采樣和處理,。根據(jù)采樣信號的不同,，此數(shù)字輸出開關(guān)噪聲可能包含顯著的頻率成分，如果此噪聲返回器件的模擬或時鐘輸入端,，或者通過電源返回芯片的模擬端,，則噪聲和雜散性能會很容易受其影響而降低。
對于大多數(shù)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，建議將兩個獨立的電源分別用于AVDD和DRVDD,。這兩個電源之間應(yīng)有充分的隔離，防止DRVDD電源的任何數(shù)字開關(guān)噪聲到達轉(zhuǎn)換器的AVDD電源,。AVDD和DRVDD電源常常采用各自的調(diào)節(jié)器,，然而,，如果在這兩個電源之間實現(xiàn)了充分的濾波，則采用一個調(diào)節(jié)器通常也能獲得足夠好的性能,。
ADC電源靈敏度——PSRR
確定高速ADC對電源噪聲的靈敏度的一個方法,，是將一個已知頻率施加于轉(zhuǎn)換器的電源軌，并測量轉(zhuǎn)換器輸出頻譜中出現(xiàn)的信號音,，從而考察其電源抑制性能,。輸入信號與輸出頻譜中出現(xiàn)的信號的相對功率即為轉(zhuǎn)換器在給定頻率下的電源抑制比（PSRR）。下圖顯示了典型高速ADC的PSRR與頻率的關(guān)系,。此圖中數(shù)據(jù)的測量條件是將器件安裝于配有旁路電容的評估板上,，這種方法能夠顯示典型應(yīng)用中器件如何響應(yīng)電源噪聲。注意在這種情況下,，轉(zhuǎn)換器的PSRR在低頻時相對高得多,，當頻率高于約10MHz時會顯著下降。
利用此PSRR信息,，設(shè)計人員可以確定為了防止噪聲損害轉(zhuǎn)換器的性能,，電源所容許的紋波水平。例如,，如果一個電源在500kHz時具有5mVp-p的紋波,，則從下面的PSRR圖可知，轉(zhuǎn)換器在此頻率提供大約58dB的抑制,。轉(zhuǎn)換器的滿量程為2Vp-p,，因此原始5mV信號比輸入滿量程低52dB。此信號將進一步衰減58dB,，從而比轉(zhuǎn)換器的滿量程功率低110dB,。這樣，設(shè)計人員就能使用轉(zhuǎn)換器的PSRR數(shù)據(jù)來確定在給定頻率下轉(zhuǎn)換器電源的容許紋波,。如果轉(zhuǎn)換器的電源在已知頻率具有紋波,，例如來自上游開關(guān)轉(zhuǎn)換器，則可以利用該方法確定將此噪聲衰減至容許水平所需的額外濾波,。
上述分析假設(shè)給定電源上僅出現(xiàn)一個頻率,。事實上，根據(jù)電源獲得方式的不同以及該電源供電對象的不同,，電源上的噪聲可能具有額外頻率成分,。如果是這種情況，設(shè)計人員必須確保為電源提供充分的濾波來衰減此噪聲,。請注意,，由于ADC輸入的寬帶特性，在其它奈奎斯特頻率區(qū)中,，處在ADC輸入的目標頻帶之外的噪聲可能會進入目標頻帶,。
關(guān)于線性調(diào)節(jié)器的討論
傳統(tǒng)上使用線性調(diào)節(jié)器來為轉(zhuǎn)換器的AVDD和DRVDD軌提供干凈的電源,。低壓差線性調(diào)節(jié)器能夠出色地抑制約1MHz以下的低頻噪聲。典型LDO的控制環(huán)路帶寬不超過此頻率,，因此更高頻率的噪聲會幾乎毫無衰減地通過調(diào)節(jié)器,。對于此頻率以上的噪聲,，必須在LDO之后通過額外濾波對其進行衰減,，防止此噪聲到達ADC。通常,，結(jié)合使用鐵氧體磁珠,、大去耦電容和局部電源去耦，即足以衰減任何通過線性調(diào)節(jié)器的高頻噪聲,。設(shè)計電源濾波器時必須注意,，如果使用串聯(lián)感性元件，應(yīng)確保上電和掉電時的感應(yīng)電勢不會達到足以損壞轉(zhuǎn)換器的水平,。
圖1：典型ADC電源抑制比與頻率的關(guān)系
此外,，鑒于LDO的上游常常還會有一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員必須確保LDO和濾波器電路能夠充分抑制此開關(guān)轉(zhuǎn)換器的頻率?，F(xiàn)代開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率越來越高,，可能高于典型LDO的環(huán)路帶寬。來自這些高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器的噪聲很容易通過LDO,，必須利用下游濾波器對其進行衰減,。
雖然線性調(diào)節(jié)器能夠很好地為ADC提供干凈的電源，但效率不高是其主要缺點,。根據(jù)提供給線性調(diào)節(jié)器輸入端的電壓的不同,，LDO的效率可能非常低。提供一個略高于LDO壓差的電壓雖然可以提高效率,，但這經(jīng)常需要增加額外的電源級,，導(dǎo)致電源設(shè)計的成本和復(fù)雜度隨之增加。
為使高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)揮最高性能,，必須為其提供干凈的直流電源,。高噪聲電源會導(dǎo)致信噪比（SNR）下降和/或ADC輸出中出現(xiàn)不良的雜散成分。本文將介紹有關(guān)ADC電源域和靈敏度的背景知識,，并討論為高速ADC供電的基本原則,。
模擬電源和數(shù)字電源
當今的大部分高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少都有兩個電源域：模擬電源（AVDD）和數(shù)字與輸出驅(qū)動器電源（DRVDD）。一些轉(zhuǎn)換器還有一個附加模擬電源,，通常應(yīng)作為本文所討論的額外AVDD電源來處理,。轉(zhuǎn)換器的模擬電源和數(shù)字電源是分離的，以防數(shù)字開關(guān)噪聲（特別是輸出驅(qū)動器產(chǎn)生的噪聲）干擾器件模擬端的模擬采樣和處理,。根據(jù)采樣信號的不同,，此數(shù)字輸出開關(guān)噪聲可能包含顯著的頻率成分,，如果此噪聲返回器件的模擬或時鐘輸入端，或者通過電源返回芯片的模擬端,，則噪聲和雜散性能會很容易受其影響而降低,。
對于大多數(shù)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，建議將兩個獨立的電源分別用于AVDD和DRVDD,。這兩個電源之間應(yīng)有充分的隔離,，防止DRVDD電源的任何數(shù)字開關(guān)噪聲到達轉(zhuǎn)換器的AVDD電源。AVDD和DRVDD電源常常采用各自的調(diào)節(jié)器,，然而,，如果在這兩個電源之間實現(xiàn)了充分的濾波，則采用一個調(diào)節(jié)器通常也能獲得足夠好的性能,。
ADC電源靈敏度——PSRR
確定高速ADC對電源噪聲的靈敏度的一個方法,，是將一個已知頻率施加于轉(zhuǎn)換器的電源軌，并測量轉(zhuǎn)換器輸出頻譜中出現(xiàn)的信號音,，從而考察其電源抑制性能,。輸入信號與輸出頻譜中出現(xiàn)的信號的相對功率即為轉(zhuǎn)換器在給定頻率下的電源抑制比（PSRR）。下圖顯示了典型高速ADC的PSRR與頻率的關(guān)系,。此圖中數(shù)據(jù)的測量條件是將器件安裝于配有旁路電容的評估板上,，這種方法能夠顯示典型應(yīng)用中器件如何響應(yīng)電源噪聲。注意在這種情況下,，轉(zhuǎn)換器的PSRR在低頻時相對高得多,，當頻率高于約10MHz時會顯著下降。
利用此PSRR信息,，設(shè)計人員可以確定為了防止噪聲損害轉(zhuǎn)換器的性能,，電源所容許的紋波水平。例如,，如果一個電源在500kHz時具有5mVp-p的紋波,，則從下面的PSRR圖可知，轉(zhuǎn)換器在此頻率提供大約58dB的抑制,。轉(zhuǎn)換器的滿量程為2Vp-p,，因此原始5mV信號比輸入滿量程低52dB。此信號將進一步衰減58dB,，從而比轉(zhuǎn)換器的滿量程功率低110dB,。這樣，設(shè)計人員就能使用轉(zhuǎn)換器的PSRR數(shù)據(jù)來確定在給定頻率下轉(zhuǎn)換器電源的容許紋波,。如果轉(zhuǎn)換器的電源在已知頻率具有紋波,，例如來自上游開關(guān)轉(zhuǎn)換器，則可以利用該方法確定將此噪聲衰減至容許水平所需的額外濾波。
上述分析假設(shè)給定電源上僅出現(xiàn)一個頻率,。事實上,，根據(jù)電源獲得方式的不同以及該電源供電對象的不同，電源上的噪聲可能具有額外頻率成分,。如果是這種情況,，設(shè)計人員必須確保為電源提供充分的濾波來衰減此噪聲。請注意,，由于ADC輸入的寬帶特性,，在其它奈奎斯特頻率區(qū)中，處在ADC輸入的目標頻帶之外的噪聲可能會進入目標頻帶,。
關(guān)于線性調(diào)節(jié)器的討論
傳統(tǒng)上使用線性調(diào)節(jié)器來為轉(zhuǎn)換器的AVDD和DRVDD軌提供干凈的電源,。低壓差線性調(diào)節(jié)器能夠出色地抑制約1MHz以下的低頻噪聲,。典型LDO的控制環(huán)路帶寬不超過此頻率,，因此更高頻率的噪聲會幾乎毫無衰減地通過調(diào)節(jié)器。對于此頻率以上的噪聲,，必須在LDO之后通過額外濾波對其進行衰減,，防止此噪聲到達ADC。通常,，結(jié)合使用鐵氧體磁珠,、大去耦電容和局部電源去耦，即足以衰減任何通過線性調(diào)節(jié)器的高頻噪聲,。設(shè)計電源濾波器時必須注意,，如果使用串聯(lián)感性元件，應(yīng)確保上電和掉電時的感應(yīng)電勢不會達到足以損壞轉(zhuǎn)換器的水平,。
圖1：典型ADC電源抑制比與頻率的關(guān)系
此外,，鑒于LDO的上游常常還會有一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員必須確保LDO和濾波器電路能夠充分抑制此開關(guān)轉(zhuǎn)換器的頻率?，F(xiàn)代開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率越來越高,，可能高于典型LDO的環(huán)路帶寬。來自這些高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器的噪聲很容易通過LDO,，必須利用下游濾波器對其進行衰減,。
雖然線性調(diào)節(jié)器能夠很好地為ADC提供干凈的電源，但效率不高是其主要缺點,。根據(jù)提供給線性調(diào)節(jié)器輸入端的電壓的不同,，LDO的效率可能非常低。提供一個略高于LDO壓差的電壓雖然可以提高效率,，但這經(jīng)常需要增加額外的電源級,，導(dǎo)致電源設(shè)計的成本和復(fù)雜度隨之增加。
關(guān)于開關(guān)調(diào)節(jié)器的討論
傳統(tǒng)上，開關(guān)調(diào)節(jié)器不宜用于直接為ADC供電,。然而,，開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)已今非昔比，當與后置濾波,、精心的設(shè)計和布局布線做法相結(jié)合,，開關(guān)調(diào)節(jié)器可以用作許多高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高效率電源解決方案。如圖2所示,，開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率可達95%,，相比于LDO，系統(tǒng)功耗顯著降低,。對于一個功耗為780mW的1.8V單電源ADC,，如果使用開關(guān)調(diào)節(jié)器電源，整體系統(tǒng)功耗可降低640mW或更多,。此外,，開關(guān)電源設(shè)計消除了線性級這一熱源，PCB的總體熱量得以降低,，因而對風(fēng)扇和散熱器等額外冷卻措施的需求會減少,。
圖2：LDO為ADC供電，包括濾波
不過,，開關(guān)調(diào)節(jié)器確實會產(chǎn)生噪聲,，必須通過精心的設(shè)計和布局布線予以控制。開關(guān)電源主要有兩類噪聲：開關(guān)紋波和高頻噪聲,。對于恒頻開關(guān)調(diào)節(jié)器,，開關(guān)紋波會在開關(guān)頻率及其倍數(shù)頻率產(chǎn)生能量。高頻噪聲由轉(zhuǎn)換器中的電壓和電流快速跳變而產(chǎn)生,。1-5ns的典型上升時間可以在70-350MHz區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生能量,。對這兩個噪聲源均必須進行充分濾波，以免其干擾轉(zhuǎn)換器的工作,，降低轉(zhuǎn)換器的性能,。這可能需要使用多級LC濾波器，以降低紋波并衰減噪聲,。為保持直流調(diào)節(jié)能力,，開關(guān)電源控制環(huán)路可以在輸出濾波器的兩級附近閉合。為保持穩(wěn)定性,，環(huán)路穿越頻率必須較低,。ADC給電源帶來的負載特性基本上是一個與時鐘頻率成正比的直流負載。由于該負載是恒定的,，開關(guān)調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)相對不重要,，因此低環(huán)路穿越頻率在這種情況下是可以接受的,。對調(diào)節(jié)器進行外部補償可以更輕松實現(xiàn)這一目標。
對輸出電源電壓上的噪聲進行充分濾波至關(guān)重要,，但設(shè)計人員也必須盡量減小從電源所含磁性元件（電感）到與ADC時鐘或信號路徑相關(guān)的巴倫或變壓器之間的磁場或電場耦合,。將電源電感放在PCB上的另一端并遠離關(guān)鍵的ADC時鐘和輸入相關(guān)電路，有助于減小這種耦合,。
電源去耦
盡管高速ADC給電源帶來的總負載是穩(wěn)定的,，但需要電流以ADC采樣速率和此頻率的諧波快速跳變。由于電路板和走線的電感會限制電源能夠迅速提供的電流量,，因此ADC所需的高頻電流是由板電源去耦電容提供的,。為高速ADC供電時，應(yīng)同時采用大的電源去耦電容和局部（ADC引腳處）去耦電容,。大去耦電容存儲電荷以對電源層和局部去耦電容充電,，局部去耦電容則提供ADC所需的高頻電流。有效的去耦還能將高頻電源瞬變限制在距離產(chǎn)生瞬變的IC非常近的區(qū)域,，從而使電路板上產(chǎn)生的電磁輻射（EMI）降至最小,。
圖3：開關(guān)調(diào)節(jié)器的典型效率
一般而言，應(yīng)為每個ADC電源軌至少提供一個大去耦電容,。這些電容應(yīng)當是10uF至22uF范圍內(nèi)的低ESR陶瓷或鉭電容,。對于局部去耦，一般建議為每個電源引腳提供一個去耦電容,。局部去耦電容應(yīng)當是0.01uF至0.1uF范圍內(nèi)的低ESR陶瓷電容，并且應(yīng)盡可能靠近ADC電源引腳放置,。這些電容應(yīng)具有通向電源層的過孔,，并且過孔應(yīng)非常靠近ADC電源引腳,。如果ADC是從PCB上緊密耦合的電源層獲得電源,，則局部去耦也可以通過層與層之間的電容效應(yīng)實現(xiàn)。如果這些層相對較大,，并且間隔小于5密爾（mil）,，則層間電容可提供非常有效的去耦作用。層間電容與局部旁路電容共同提供ADC所需的高頻電流,。
接地
ADC接地是電源方案的重要一環(huán),。當前許多ADC都采用LFCSP封裝，封裝底部有一個接地金屬塊,。此金屬塊用于為器件散熱,；在許多情況下，此接地金屬塊是器件唯一的接地連接,。必須將此接地金屬塊焊接到電路板上的接地焊盤,，此焊盤有多個過孔通向接地層。
ADC地上的噪聲也會影響其性能。當數(shù)字回路電流流經(jīng)ADC所在區(qū)域時,，通常會產(chǎn)生接地噪聲,。設(shè)計人員應(yīng)當采取措施，確保高噪聲地電流不會流經(jīng)ADC附近,。一般建議使用連續(xù)層,，但為了隔離高噪聲地電流，可能需要使用非連續(xù)層,。
結(jié)論
ADC的電源實現(xiàn)方案可能會對器件的性能產(chǎn)生重大影響,。按照本文提出的指導(dǎo)原則進行設(shè)計，可以實現(xiàn)有效的ADC電源,。尋找特定ADC的電源參考資料時,，首先應(yīng)查看該ADC的評估板。ADI公司的所有ADC都有附帶電源的評估板,。研究評估板電源的結(jié)構(gòu)以及它所采用的去耦和布局,，是開展ADC電源設(shè)計的最好起點。