當(dāng)今許多應(yīng)用要求高速采樣模數(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)行更的系統(tǒng)測量。遺憾的是，更高的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是敏感器件，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊所述的額定性能，應(yīng)當(dāng)同等看待模擬、時(shí)鐘和電源等所有輸入端。噪聲來源眾多，形式多樣，噪聲輻射會(huì)影響性能。

　　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、簡化散熱管理、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?a target="_blank">開關(guān)電源。這在某些情況下可能確實(shí)如此，但新的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)證明，開關(guān)電源也可以用于通信和醫(yī)療應(yīng)用。

　　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）。

　　何謂電源抑制

　　通過變壓器和整流器，把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的電子設(shè)備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去。晶體三極管對后面的電路來說，也可以看做是信號源。電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計(jì)算機(jī)的工作性能和使用壽。

　　當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí)，決定ADC性能的因素主要有兩個(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。

　　再來談?wù)?PSRR 與音質(zhì)的關(guān)系。聲音質(zhì)量是用戶接口的重要因素之一，其中，音頻放大器的作用是對輸入信號放大，同時(shí)抑制噪聲。在放大器中，一個(gè)主要噪聲源是電源線路本身。通過從 PSRR 切入，我們就可以分析出放大器如何放大輸入信號，并抑制電源線引入噪聲的性能。 在此情況下，放大器自身的 PSRR 指標(biāo)更加重要。放大器的 PSRR 越高，越有利于設(shè)計(jì)。簡而言之，性能提高 3dB,代表系數(shù)為 2.舉例說，提供 6dB 更佳性能的放大器，其降噪性能將會(huì)提高 4 倍。

　　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。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)換器的任何其它輸入一樣進(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)換器噪聲基底，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　電源測試

　　電源 diàn yuán power supply;power source 電源是提供電壓的裝置。 把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置叫做電源分別測量每個(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。采用1mH的電感來充當(dāng)直流電源的交流阻斷器，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2Vpp,則使用200mVpp或-20dB.接下來讓轉(zhuǎn)換器的輸入端接地（不施加模擬信號），查找噪聲基底/FFT頻譜中處于測試頻率的誤差雜散，60dB的值似乎不太正常，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。

　　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，可能只針對差工作條件或差性能的電源。例如，相對于其它電源，+5 V模擬電源可能是差的。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。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，+5V電源經(jīng)過LC網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)板上可能只有+4.8V。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3所示。

　　另一個(gè)區(qū)別是僅在低頻施加調(diào)制或誤差信號，目的是觀察此信號與施加于轉(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1-100kHz頻率。為了獲得終結(jié)果，（差）調(diào)制雜散相對于基頻的幅度之差將決定PSMR規(guī)格。圖4所示為實(shí)測PSMR FFT頻譜的示例。

　　　　電源噪聲分析

　　對于轉(zhuǎn)換器和終的系統(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、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)器或其它器件。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 nVrms/rt-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fs/2的奈奎斯特區(qū)，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，請按照上述方法進(jìn)行測量，或者詢問廠家。

　　使用一個(gè)2Vpp滿量程輸入范圍、78dB SNR和125MSPS采樣速率的16位ADC,其噪聲基底為11.26 nVrms.任何來源的噪聲都必須低于此值，以防其影響轉(zhuǎn)換器。在奈奎斯特區(qū)，轉(zhuǎn)換器噪聲將是89.02 μV rms （11.26 nVrms/rt-Hz） × sqrt（125MHz/2）。雖然調(diào)節(jié)器的噪聲（31.6 nv/rt-Hz）是轉(zhuǎn)換器的兩倍以上，但轉(zhuǎn)換器有60dB的PSRR,它會(huì)將開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲抑制到31.6 pV/rt-Hz （31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V）。這一噪聲比轉(zhuǎn)換器的噪聲基底小得多，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0.1μF電容可使噪聲低于上述計(jì)算值。請記住，某些電源引腳吸取的電流較多，或者比其它電源引腳更敏感。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，每增加增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20dB.

　　需要注意的一點(diǎn)是，上述分析僅針對單個(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?；驹硎牵和ǖ罃?shù)量每增加一倍，噪聲基底將變?yōu)?6dB.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。終，隨著通道數(shù)量增加，系統(tǒng)的噪聲基底降低，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。

　　本文小結(jié)

　　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?。好吭黾釉鲆婢蜁?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。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。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。