《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高速ADC供電技術(shù)分析及設(shè)計(jì)方案
摘要: 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(dāng)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
Abstract:
Key words :

  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(dāng)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(dú)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(dá)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(shí)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(dāng)頻率高于約10MHz時會顯著下降,。

  利用此PSRR信息,,設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)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(biāo)頻帶之外的噪聲可能會進(jìn)入目標(biāo)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(jìn)行衰減,,防止此噪聲到達(dá)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(jì)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(dá)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(jì)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(jìn)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(diǎn)。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(jì)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(dāng)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(dú)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(dá)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(shí)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(dāng)頻率高于約10MHz時會顯著下降,。

  利用此PSRR信息,,設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)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(biāo)頻帶之外的噪聲可能會進(jìn)入目標(biāo)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(jìn)行衰減,,防止此噪聲到達(dá)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(jì)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(dá)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(jì)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。現(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(jìn)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(diǎn)。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(jì)的成本和復(fù)雜度隨之增加,。

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