掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源設(shè)計(jì)技巧

問題：開關(guān)電源（DC/DC轉(zhuǎn)換器）真的會(huì)降低ADC的性能嗎？

　　回答：工程師一般認(rèn)為開關(guān)電源會(huì)降低ADC的性能，因此通常愿意選用低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，而不使用開關(guān)穩(wěn)壓器，但這種認(rèn)識(shí)并非完全正確。LDO具有較低的紋波和噪聲指標(biāo)，但最近的研究表明，高效的開關(guān)穩(wěn)壓器也可用于一些轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，前提是設(shè)計(jì)師對(duì)電路拓?fù)溆泻芎玫睦斫?，運(yùn)用一些實(shí)用技巧，同時(shí)采取一些必要的防范措施。

　　首先是選擇轉(zhuǎn)換器，然后選擇正確的開關(guān)穩(wěn)壓器，并不是任何開關(guān)穩(wěn)壓器都可以使用。從數(shù)據(jù)手冊(cè)上查閱開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲和紋波指標(biāo)，以及開關(guān)頻率。典型的開關(guān)穩(wěn)壓器在100kHz帶寬范圍內(nèi)大概有10μV rms的噪聲。假設(shè)它們都是白噪聲，那么有關(guān)頻帶內(nèi)的噪聲密度相當(dāng)于31.6 nVrms/rt-Hz。

　　其次，要查閱轉(zhuǎn)換器的電源抑制（PSR）指標(biāo)，以了解由于電源噪聲引起的轉(zhuǎn)換器性能下降的關(guān)鍵點(diǎn)。大多數(shù)高速轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特區(qū)內(nèi)的PSR典型值為60dB（1mV/V）。

　　在使用具有2Vpp滿量程輸入范圍、78dB信噪比和125 MSPS采樣速率的16位ADC時(shí)，本底噪聲為11.26 nVrms。不管噪聲源自何處，都必須低于這個(gè)值，這樣才能不影響轉(zhuǎn)換器的性能。在第一奈奎斯特區(qū)fs/2，轉(zhuǎn)換器噪聲等于89.02μVrms（11.26 nVrms/rt-Hz）×sqrt（125 MHz/2）。雖然開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲（31.6 nv/rt-Hz）高過這個(gè)轉(zhuǎn)換器噪聲的兩倍，但注意轉(zhuǎn)換器還有60dB的PSRR，它能將開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲抑制到31.6 pV/rt-Hz （31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V）。這個(gè)噪聲比轉(zhuǎn)換器的本底噪聲要小得多，因此開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲不會(huì)降低轉(zhuǎn)換器性能。

　　另外，電源濾波、接地和布線也很重要。在ADC電源引腳處增加0.1 μF電容，可以使噪聲降低到比上面的計(jì)算結(jié)果還要小。在電源輸出端增加一個(gè)簡(jiǎn)單的LC濾波器也可行，但級(jí)聯(lián)的濾波器能將開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲抑制得更多。眾所周知，濾波器每增加一級(jí)就能獲得約20dB/10倍頻程的噪聲抑制效果。緊密疊層的電源和地平面（間距4mil）可以為PCB設(shè)計(jì)增加固有的高頻去耦效果。最后，良好的物理劃分是關(guān)鍵，盡量使敏感的模擬電路遠(yuǎn)離開關(guān)電路。