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网转高速ADC的电源设计

2019-07-13 23:45发布

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网上看到的好文章，贴出来大家一起看。 先针对像我这样的小白，做几个名词解释： ​信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISERATIO)，又称为讯噪比。是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10lg(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。 ADC中，无杂散动态范围(SFDR)指载波频率(最大信号成分)的RMS幅度与次最大噪声成分或谐波失真成分的RMS值之比，SFDR通常以dBc(相对于载波频率幅度)或dBFS (相对于ADC的满量程范围)表示。 DAC中，无杂散动态范围(SFDR)指载波频率(最大信号成分)的RMS幅度与次最大失真成分的RMS值之比，SFDR通常以dBc(相对于载波频率幅度)或dBFS(相对于DAC的满量程范围)表示。具体取决于测量条件，SFDR在预先定义的窗口或奈奎斯特频率内观测。 电源抑制比(Power SupplyRejection Ratio)：把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是PSRR，通常用对数形式表示，单位dB。 ​PSRR=20log{[ripple(in)/ripple(out)]} ​高速 ADC 的电源设计 作者：ThomasNeu，德州仪器 (TI) 系统与应用工程师 系统设计人员正面临越来越多的挑战，他们需要在不降低系统组件（例如：高速数据转换器）性能的情况下让其设计最大程度地节能。设计人员们可能会转而采用许多电池供电的应用（例如：某种手持终端、软件无线设备或便携式超声波扫描仪），也可能会缩小产品的外形尺寸，从而需要寻求减少发热的诸多方法。 极大降低系统功耗的一种方法是对高速数据转换器的电源进行优化。数据转换器设计和工艺技术的一些最新进展，让许多新型 ADC 可以直接由开关电源来驱动，从而达到最大化功效的目的。系统设计人员们习惯在开关稳压器和 ADC 之间使用一些低噪、低压降稳压器(LDO)，以清除输出噪声和开关频率谐波（请参见图 1）。但是，这种干净的电源设计的代价是高功耗，因为 LDO 要求压降余量来维持正常的运行。最低压降一般为 200 到 500mV，但在一些系统中其可以高达 1 到 2V（例如，ADC 的3.3-V 电压轨产生自一个使用 LDO 的 5V 开关电源时）。​​​ 2016年03月16日填写图片摘要（选填） 就一个要求 3.3-V 电压轨的数据转换器而言，300mV 的 LDO 压降增加约10% 的 ADC 功耗。这种效应在数据转换器中得到放大，因为它具有更小的工艺节点和更低的电源电压。例如，1.8V 时，相同 300-mV 压降增加约 17%（300mV/1.8 V）的 ADC 功耗。因此，将该链的低噪声 LDO 去除可以产生巨大的节能效果。去除 LDO 还可以降低设计的板级空间、热量以及成本。 本文阐述了包括超高性能 16 位 ADC 在内的一些 TI 高速 ADC 可在 ADC性能无明显降低的条件下直接通过开关稳压器驱动。为了阐述的方便，我们对两款不同的数据转换器（一款使用高性能 BiCOM 技术（TI 的 ADS5483），另一款使用低功耗 CMOS 技术（TI 的 ADS6148）进行了开关电源噪声敏感性研究。本文的其他部分对所得结果进行了一一介绍。​
 BiCOM 技术—ADS5483 这种工艺技术实现了宽输入频率范围下的高信噪比 (SNR) 和高无杂散动态范围 (SFDR)。BiCOM 转换器一般还具有许多片上去耦电容和非常不错的电源抑制比 (PSRR)。我们对 ADS5483 评估板 (ADS5483EVM) 进行了电源研究，其具有一个使用 TITPS5420 开关稳压器 (Sw_Reg) 的板上电源；一个低噪声LDO（TI 的 TPS79501）；以及一个外部实验室电源使用选项。我们使用图 2 所示不同结构实施了 5 次实验，旨在确定 ADS5483 通过一个开关稳压器直接运行时出现的性能降低情况。由于 ADS5483 模拟 5-V 电源到目前为止表现出对电源噪声的最大敏感性，因此该研究忽略了 3.3-V 电源的噪声。ADS5483 产品说明书中列出的 PSRR 支持这种情况：两个 3.3-V 电源的 PSRR 至少高出5-V 模拟电源 20dB。​
 2016年03月16日填写图片摘要（选填） 5 次实验的结构变化配置如下： 实验 1—一个 5-V 实验室电源直接连接到 5-V 模拟输入，同时绕过开关稳压器(TPS5420) 和低噪声 LDO (TPS79501)。使用一个板上 LDO（TI 的 TPS79633）生成 ADS5483 低敏感度 3.3-V 模拟及数字电源的 3.3-V 电压轨。 实验 2—将一个 10-V 实验室电源连接到 TPS5420 降压稳压器，其使用一个5.3-V 输出。这样可为 TPS79501 提供一个 300-mV 压降，从而生成一个 5-V电压轨。 实验 3—使用 TPS5420，从 10-V 实验室电源生成一个 5-V 电压轨。本实验中，我们绕过了 TPS79501 低噪声 LDO。图 3a 表明，如“实验 2”连接的 LDO 较好地减少了开关稳压器的 5.3-V 输出峰值电压。但是，图 3b 表明 5-VVDDA 电压轨铁氧体磁珠之后输出没有巨大的差异。 2016年03月16日 实验 4—本实验配置方法与“实验3”相同，但去除了 TPS5420输出的 RC 缓冲器电路，其会引起高振铃和大开关频率杂散。 我们可在图 4中清楚的观察到 RC 缓冲器电路的影响。去除LDO 并没有在铁氧体磁珠之后表现出明显的差异，而去除 RC 缓冲器电路则会导致更大的清洁5-VVDDA电压轨电压峰值进入 ADC。我们将在稍后详细研究RC 缓冲器电路的影响。
 2016年03月16日 实验 5—将一个 8-Ω 功率电阻连接到 5-V 电源，模拟如现场可编程门阵列 (FPGA) 等额外负载。TPS5420 必须提供更高的输出电流，并更努力地驱动其内部开关，从而产生更大的输出杂散。通过重复进行“实验 2”、“实验 3”和“实验 4”可以测试这种配置。   测量结果 我们利用输入信号频率扫描对比了 5 个实验。先使用 135 MSPS 采样速率然后使用 80 MSPS 采样速率对三个 ADS5483EVM 实施了这种实验，均没有观察到巨大的性能差异。
​在使用 135-MSPS 采样速率情况下，SNR 和 SFDR 的频率扫描如图 5 所示。在 10 到 130MHz输入频率下 SNR 的最大变化约为 0.1dB。SFDR 结果也非常接近；在某些输入频率（例如：80MHz）下，可以观测到下降 1 至 2dB。
2016年03月16日 5 个实验的 FFT曲线图对比（请参见图 6）显示噪声底限或杂散振幅没有出现较大的增加。使用 LDO清除开关噪声使得输出频谱看起来几乎与干净 5-V 实验室电源完全一样。去除 LDO以后，我们观测到从开关稳压器产生了两个杂散，其具有一个来自 10-MHz输入音调的约 500 kHz 频率偏置。RC缓冲器电路降低这些杂散振幅约 3dB，从约–108 dBc 降到了约 –111dBc。这一值低于ADS5483 的平均杂散振幅，其表明 ADS5483 可以在不牺牲SNR 或SFDR 性能的情况下直接由一个开关稳压器来驱动。

2016年03月16日 RC 缓冲器 降压稳压器输出能够以相当高的开关速度对非常大的电压实施开关操作。本文中，将 TPS5420的输入电压轨设定为 10V，我们可以在输出端观测到许多过冲和振铃，如图 7a所示。为了吸收一些电源电路电抗能量，我们将 RC 缓冲电路添加到了TPS5420 的输出（请参见图 7b）。该电路提供了一个高频接地通路，其对过冲起到了一些阻滞作用。图 7a 表明RC 缓冲器降低过冲约 50%，并且几乎完全消除了振铃。我选用了R = 2.2Ω 和 C = 470 pF的元件值。稳压器的开关频率范围可以为 500kHz到约 6MHz，具体取决于制造厂商，因此可能需要我们对 R和 C值进行调节。这种解决方案的代价是带来一些额外的分流电阻 AC 功耗（尽管电阻非常的小），其降低稳压器总功效不足 1%。

2016年03月16日 我们将 10MHz 输入信号标准化FFT 图绘制出来，以对比“实验 1”到“实验4”（请参见图8）。TPS5420的杂散在约 500kHz 偏置时清晰可见。缓冲器降低杂散振幅约 3dB，而低噪声LDO 则完全消除了杂散。需要注意的是，RC 缓冲器（无 LDO）的杂散振幅约为-112dBc，远低于 ADS5483平均杂散振幅，因此 SFDR性能并未降低。

2016年03月16日 在“实验 5”中，我们将一个8-Ω 功率电阻添加到 5-VVDDA电压轨，旨在模拟电源的重负载。标准化 FFT图（请参见图 9）并未显示出很多不同。去除RC 缓冲器以后，杂散增加约4.5dB；其仍然远低于平均杂散振幅。

2016年03月16日CMOS技术—ADS6148 当关注如何在保持较佳 SNR和 SFDR 性能的同时尽可能地降低功耗时，我们一般利用 CMOS技术来开发高速数据转换器。但是，CMOS 转换器的PSRR一般并不如 BiCOM ADC的好ADS6148 产品说明书列出了25 dB 的 PSRR，而在模拟输入电源轨上 ADS5483 的PSRR 则为 60dB。  ADS6148EVM使用一种板上电源，其由一个开关稳压器 (TPS5420) 和一个低噪声、5-V输出 LDO (TPS79501) 组成，后面是一些 3.3-V和 1.8-V 电源轨的低噪声LDO（请参见图 10）。与使用ADS5483EVM 的 5 个实验类似，我们使用ADS6148EVM 进行了下面另外 5个实验，其注意力只集中在 3.3-VVDDA电压轨的噪声上面。1.8-VDVDD电压轨外置 TPS5420 实验表明对SNR 和SFDR性能没有什么大的影响。

2016年03月16日 实验 6—将一个 5-V 实验室电源连接到两个低噪声LDO（一个使用 3.3-V输出，另一个使用 1.8-V输出）的输入。LDO 并未给实验室电源带来任何有影响的噪声。 实验 7—将一个 10-V 实验室电源连接到TPS5420 降压稳压器，其与一个5.3-V输出连接，像“实验 2”连接 ADS5483 一样。TPS79501生成了一个过滤后的 5.0-V电压轨，其向 3.3-V 输出和1.8-V 输出 LDO提供输入，如图 10所示。 实验 8—所有 3.3-VVDDA电压轨 LDO 均被绕过。TPS5420配置为一个 3.3-V输出，该输出直接连接到3.3-VVDDA 电压轨。TPS79601 生成 1.8-VDVDD电压轨，并通过一个外部 5-V实验室电源供电。 实验 9—该实验配置方法与“实验8”相同，但去除了 TPS5420输出的 RC 缓冲器电路。 实验 10—一个 4-Ω 功率电阻连接到TPS5420 的 3.3-V输出。这样做可极大地
增加 TPS5420 的输出电流，从而模拟一个附加负载。另外，像“实验 5”的ADS5483 一样，它带来了更高的开关杂散和更多的振铃。

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